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Industriale moderno Tubo radiante i sistemi operanti nei forni di trattamento termico raggiungono efficienze termiche di dal 40 al 75% a seconda della configurazione dei tubi, della tecnologia del bruciatore, del design del forno e se è integrato un sistema di recupero del calore. Con i sistemi con bruciatore recuperativo o rigenerativo, il limite superiore di questa gamma si estende a dal 75 all'85% — rendere i forni a tubi radianti con recupero tra le batterie termicamente più efficienti disponibili per il riscaldamento indiretto a gas in applicazioni ad atmosfera controllata. (Fonte: Industrial Heating Equipment Association, Linee guida sull'efficienza della combustione; Manuale sulla combustione nordamericana, 3a edizione, 1986.)
L'efficienza di un tubo radiante non è un numero fisso: è una caratteristica prestazionale dinamica determinata dall'interazione tra efficienza di combustione, emissività della parete del tubo, recupero di calore dei fumi, geometria del forno e temperatura di esercizio. Comprendere ciascuna di queste variabili e il modo in cui interagiscono è essenziale per specificare, utilizzare e mantenere i sistemi di riscaldamento a tubi radianti al massimo potenziale produttivo. Le sezioni seguenti esaminano in dettaglio ogni dimensione significativa dell'efficienza del tubo radiante, con dati specifici ed esempi operativi a supporto di ciascun punto.
Un tubo radiante è un elemento riscaldante a gas indiretto, in genere un tubo sigillato in acciaio legato o ceramica attraverso il quale passa la fiamma del bruciatore, utilizzato nei forni ad atmosfera controllata per riscaldare i pezzi senza esporli ai prodotti della combustione. Il tubo assorbe il calore di combustione dalla fiamma interna e lo irradia verso l'esterno verso la camera del forno e il carico, mantenendo l'atmosfera controllata (azoto, idrogeno, gas endotermico o altre atmosfere protettive) che il processo di trattamento termico richiede.
La questione dell’efficienza è centrale nella scelta e nel funzionamento dei tubi radianti per due ragioni interconnesse. Innanzitutto, il costo del carburante: la combustione del gas naturale rappresenta il costo operativo più importante nella maggior parte degli impianti di trattamento termico e l'efficienza termica determina direttamente il consumo di gas per unità di calore fornita al carico. Un impianto che utilizza 10 forni a tubi radianti con un'efficienza termica del 50% anziché del 70% consuma il 40% in più di gas per la stessa produzione: una differenza di costo che aumenta drasticamente su scala industriale in un anno di funzionamento. In secondo luogo, la durata utile del tubo: l'efficienza operativa influenza la distribuzione della temperatura e le temperature di picco all'interno del tubo, che determinano direttamente il tasso di degrado del materiale del tubo e la frequenza di sostituzione.
(Fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Energy Tips - Process Heating: Improve Your Combustion System; IHEA Combustion Technology Manual.)
L'efficienza termica del tubo radiante è definita come il rapporto tra il calore fornito all'atmosfera e al carico del forno e il calore totale rilasciato dalla combustione del combustibile in ingresso. È espresso come:
Efficienza termica (%) = (Portata termica - Perdita di calore dei fumi - Altre perdite) / Portata termica x 100
Il meccanismo di perdita dominante in qualsiasi sistema di tubi radianti a gas è il calore portato via nei gas di scarico (camini) che lasciano il tubo. In un semplice tubo radiante diretto senza alcun recupero di calore, le temperature dei fumi all'uscita del tubo raggiungono comunemente la temperatura di Da 800 a 1.100 gradi C a temperatura operativa del forno comprende tra 900 e 1.150 gradi C, che rappresentano una frazione sostanziale del calore di combustione originale scaricato inutilizzato nel camino. Questa è la sfida principale in termini di efficienza che i progettisti di sistemi di tubi radianti affrontano attraverso il recupero, la rigenerazione e l'ottimizzazione della geometria dei tubi.
La configurazione geometrica del tubo radiante – tubo diritto, tubo a U, tubo a P, tubo a W o recupero a terminazione singola (SER) – è la variabile strutturale primaria che determina l'efficienza termica di base prima che venga applicata qualsiasi recupero di calore. Ciascuna configurazione distribuisce la fiamma e i prodotti della combustione in modo diverso lungo la lunghezza del tubo, influenzando l'uniformità dello scambio termico e la temperatura di uscita dei fumi.
| Configurazione del tubo | Intervallo di efficienza tipico | Con recupero | Applicazione primaria |
| Diretto (tubo I) | dal 35 al 45% | dal 55 al 65% | Geometrie semplici del forno; aspettare un basso profilo |
| Tubo a U (doppio passaggio) | dal 45 al 55% | dal 60 al 70% | Forni continui a nastro; forni a suola a rulli |
| Tubo P (triplo passaggio) | dal 50 al 58% | dal 63 al 72% | Processi ad alta temperatura che richiedono una lunghezza di trasferimento di calore estesa |
| Tubo a W (quadpass) | dal 52 al 62% | dal 65 al 75% | Lotto di Forni; forni a spinta con suole larghe |
| Recupero a terminazione singola (SER) | dal 55 al 65% | Dal 70 all'85% (recupero integrale) | Impianti ad alta efficienza; vengono costruiti nuovi forni dove è richiesta la massima efficienza |
Il vantaggio in termini di efficienza delle opportunità di scambio dei tubi a U, P e W rispetto ai tubi diretti deriva dal maggiore tempo di permanenza dei gas caldi di combustione all'interno del tubo prima dello scarico. In un tubo diretto, i prodotti caldi della combustione percorrono la lunghezza del tubo una volta prima di uscire. In un tubo a U, gli stessi gas vengono reindirizzati indietro attraverso un tratto di ritorno parallelo, raddoppiando di fatto il tempo disponibile per il trasferimento di calore alla parete del tubo. Ogni passaggio aggiuntivo fornisce più calore dagli stessi gas di combustione prima che raggiungano la canna fumaria.
La conseguenza termodinamica è una temperatura di uscita dei fumi sensibilmente più bassa per unità di lunghezza del tubo. Una configurazione con tubo a W con la stessa temperatura di ingresso del bruciatore e del forno di un tubo diretto raggiunge generalmente la temperatura di uscita dei gas di scarico Da 150 a 250 gradi C in meno rispetto alla configurazione diretta, traducendo direttamente la differenza di temperatura nel calore recuperato erogato al forno anziché scaricato nel camino. (Fonte: Flanagan, P.J., "Tubo radiantes - A Review", Journal of the Iron and Steel Institute, 1970; Steel Technology International Annual Review.)
Il tubo radiante recuperativo single-ended (SER) rappresenta il più alto standard di efficienza ottenibile nella tecnologia convenzionale dei tubi radianti. In una configurazione SER, il bruciatore e l'uscita della canna fumaria sono entrambi situa Questo recupero integrale recupera una frazione significativa del calore dei fumi e lo restituisce all'aria di combustione, riducendo il combustibile necessario per sostenere una determinata temperatura della fiamma.
I tubi SER con recuperatori metallici ad alto rendimento preriscaldano l'aria comburente Da 400 a 650 gradi C prima della miscelazione con il combustibile al bruciatore — un preriscaldamento dell'aria di combustione che migliora l'efficienza termica netta Da 15 a 25 punti percentuale rispetto alla stessa geometria del tubo funzionante con aria comburente a temperatura ambiente. (Fonte: WS Warmeprozesstechnik GmbH, "Self-Sistemi di bruciatori recuperativi for Radiant Tubes", Heat Treatment of Metals, 2003; Gas Processors Association Engineering Data Book.)
L'efficienza termica dell'intero sistema di tubi radianti inizia con l'efficienza di combustione, ovvero la completezza con cui l'energia chimica contenuta nel gas combustibile viene rilasciata come calore dalla fiamma del bruciatore all'interno del tubo. Una scarsa efficienza di combustione a monte del tubo riduce il calore disponibile per il trasferimento alla parete del tubo, indipendentemente da quanto sia ottimizzata la geometria del tubo.
L'efficienza di combustione di un bruciatore a gas dipende in modo critico dal rapporto aria/combustibile nel punto di combustione. La combustione stechiometrica – il rapporto teoricamente perfetto in cui tutto il carbonio e l’idrogeno del carburante vengono ossidati esattamente con l’ossigeno disponibile – rilascia il massimo calore per unità di carburante. In pratica i bruciatori funzionano con un piccolo eccesso d'aria (tipicamente Dal 5 al 15% di aria in eccesso per bruciatori premiscelati in applicazioni a tubi radianti) per garantire una combustione completa ed evitare la formazione di monossido di carbonio.
La penalità in termini di efficienza per l'aria in eccesso è semplice: ogni metro cubo di aria in eccesso non necessaria per la combustione viene comunque riscaldato dalla fiamma e deve uscire dal tubo come scarico caldo, portando con sé calore che non ha contribuito in alcun modo alla chimica della combustione. Con un eccesso d'aria del 10%, la penalizzazione dell'efficienza di combustione è modesta – approssimativamente 1-2 punti percentuale a temperatura del forno inferiori a 1.000 gradi C. Al 30% di aria in eccesso – un risultato comune di sistemi di controllo del bruciatore mal regolati o deteriorati – la penalità vendita a Da 4 a 8 punti percentuale , una perdita di efficienza significativa e del tutto evitabile. (Fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, calcoli sull'efficienza di combustione, scheda informativa sull'efficienza energetica e sulle energie rinnovabili.)
Lo strumento pratico per mantenere l'efficienza della combustione negli impianti a tubi radianti è il monitoraggio continuo del contenuto di ossigeno nei fumi all'uscita del tubo mediante un analizzatore di ossigeno calibrato all'ossido di zirconio. Il contenuto di ossigeno target nei gas di scarico di un bruciatore a tubi radianti ben sintonizzato è Da 1,5 a 3,5% di O2 in volume — indica una combustione leggermente magra (aria in eccesso) senza uno spreco significativo di ossigeno. I sistemi con controllo automatizzato dell'assetto dell'ossigeno, in cui il rapporto carburante/aria viene regolato continuamente per mantenere l'ossigeno target nei gas di scarico, raggiungono costantemente un'efficienza di combustione più elevata rispetto ai sistemi impostati manualmente e recuperano il valore di efficienza aggiuntiva del controllo preciso aria-carburante.
Il design del bruciatore utilizzato in un tubo radiante influisce profondamente sia sull'efficienza della combustione che sulla distribuzione del calore lungo la lunghezza del tubo. I bruciatori ad alta velocità che dirigono la fiamma assialmente lungo il tubo raggiungono un'elevata turbolenza e una rapida miscelazione, favorendo la combustione completa in una breve lunghezza della fiamma. I bruciatori a basso contenuto di NOx che utilizzano una combustione a fasi (zona primaria ricca di combustibile seguita da iniezione di aria secondaria) allungano la fiamma e distribuiscono il calore in modo più uniforme lungo il tubo, riducendo le temperature di picco dei punti caldi che accelerano la degradazione del materiale del tubo, migliorando sia l'uniformità termica che la durata di servizio del tubo, anche se a volte con un piccolo costo in termini di efficienza di combustione nell'intervallo da 1 a 2 punti percentuali. (Fonte: Baukal, C.E., "Manuale dei bruciatori industriali", CRC Press, 2003.)
Il recupero di calore dai gas di scarico dei tubi radianti rappresenta il singolo intervento di maggior impatto per migliorare l’efficienza complessiva del sistema. Due principali tecnologie di recupero del calore vengono applicate ai sistemi a tubi radianti: sistemi recuperativi (che trasferiscono il calore dai fumi all'aria comburente in entrata attraverso uno scambiatore di calore metallico) e sistemi rigenerativi (che utilizzano depositi alternati di letti di ciottoli caldi o matrici ceramiche per assorbire e rilasciare il calore di scarico in cicli temporizzati).
Un bruciatore a tubi radianti recuperativi incorpora uno scambiatore di calore metallico, tipicamente costruito in acciaio legato ad alta temperatura o carburo di silicio, attraverso il quale i gas di scarico caldi passano nel loro percorso verso il camino e l'aria di combustione in entrata passa nella direzione opposta (controcorrente). Questo scambio di calore in controcorrente preriscalda l'aria di combustione prima che entri nel bruciatore, riducendo l'energia del combustibile necessaria per raggiungere la temperatura della fiamma necessaria per il processo.
Il guadagno di efficienza derivante dal recupero è direttamente correlato alla temperatura di preriscaldamento dell'aria comburente raggiunta:
(Fonte: Thekdi, A. e Nimbalkar, S.U., "Recupero del calore di scarto industriale - Potenziali applicazioni", Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, 2014.)
Il limite superiore pratico della temperatura di preriscaldamento del recuperatore metallico e vincolato dalle proprietà meccaniche ad alta temperatura del materiale del recuperatore: i recuperatori standard in acciaio inossidabile austenitico sono limitati a circa 700 gradi C di temperatura di ingresso dei fumi; i recuperatori ceramici in carburo di silicio possono gestire temperature di ingresso fino a 1.300 gradi C per applicazioni in forni ad alta temperatura.
I bruciatori rigenerativi a tubi radianti utilizzano coppie di bruciatori che si accendono alternativamente: mentre un bruciatore si accende attraverso il suo tubo radiante, i gas di scarico dall'estremità opposta vengono aspirati attraverso un letto di ciottoli ceramici o una matrice a nido d'ape che assorbe il calore di scarico. Quando il ciclo di cottura si inverte, l'aria fresca di combustione per il bruciatore di nuova accensione passa attraverso il letto ceramico caldo, assorbendo il calore di scarico immagazzinato ed entrando nella zona di combustione a temperatura molto elevata.
I sistemi rigenerativi raggiungono temperature di preriscaldamento dell'aria di combustione più elevate rispetto ai sistemi recuperativi, in genere Preriscaldamento da 800 a 1.000 gradi C una temperatura del forno compresa tra 1.000 e 1.200 gradi C, garantendo un risparmio di carburante di dal 40 al 55% rispetto alla combustione ad aria fredda in condizioni di processo equivalenti. Ciò rende i sistemi a tubi radianti rigenerativi la configurazione con la massima efficienza disponibile per le operazioni di trattamento termico continuo ad alta temperatura. Il compromesso è un aumento dei costi di capitale, sistemi di controllo più complessi e requisiti di manutenzione più elevati per i gruppi di valvole di commutazione e i mezzi del letto ceramico che sono esclusivi dei sistemi con bruciatori rigenerativi. (Fonte: Patel, N. et al., "Tecnologia dei bruciatori rigenerativi per forni di trattamento termico", rivista Thermal Processing, 2015.)
Il materiale con cui è costruito un tubo radiante influisce sull'efficienza attraverso due meccanismi: l'emissività della superficie del tubo (che determina l'efficacia con cui irradia calore al carico del forno) e la conduttività termica del tubo e la temperatura operativa massima (che determinano la quantità di calore che può essere trasferita attraverso la parete del tubo prima che la degradazione del materiale limiti l'intensità operativa).
Un tubo radiante trasferisce il calore all'ambiente circostante principalmente attraverso la radiazione termica, ossia l'emissione di energia elettromagnetica dalla superficie del tubo caldo alle pareti più fredde del forno e ai pezzi in lavorazione. L'efficienza di questo trasferimento di radiazione è governata dall'emissività della superficie del tubo (epsilon), un valore adimensionale compreso tra 0 e 1 dove 1 rappresenta un perfetto radiatore del corpo nero.
Il flusso di calore irradiato dalla superficie del tubo è descritto dalla legge di Stefan-Boltzmann:
Q = epsilon x sigma x A x (T_tubo alla potenza 4 - T_forno alla potenza 4)
Dove sigma è la costante di Stefan-Boltzmann (5,67 x 10 alla potenza -8 W/m2K4), A è l'area della superficie del tubo, T_tubo è la temperatura superficiale assoluta del tubo e T_forno è la temperatura assoluta del forno. La dipendenza dalla temperatura di quarto significa che anche piccoli aumenti della temperatura superficiale del tubo producono grandi aumenti nel flusso di calore irradiato – e che l'emissività, che moltiplica l'intero termine di radiazione, ha un effetto diretto e lineare sulla potenza irradiata. (Fonte: Incropera, F.P. et al., "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 7a edizione, Wiley, 2011.)
| Materiale del tubo | Emissività (epsilon) alla temperatura operativa | Temperatura operativa massima | Proprietà chiave |
| HK40 (25Cr-20Ni) | da 0,80 a 0,88 | 1.050 gradi C | Buona resistenza all'ossidazione; ampiamente utilizzato; costo moderato |
| HP (25Cr-35Ni-Nb) | da 0,82 a 0,90 | 1.100 gradi C | Elevata resistenza al creep; eccellente per servizio continuo ad alta temperatura |
| Lega 35Cr-45Ni | 0,83-0,91 | 1.150 gradi C | Eccellente resistenza all'ossidazione e alla carburazione; durata del servizio esteso |
| Carburo di silicio (SiC) | da 0,85 a 0,93 | 1.400 gradi C | Capacità di temperatura più alta; eccellente emissività; fragile: richiede un'attenta manipolazione |
| Ceramica mullite/allumina | da 0,82 a 0,90 | 1.350 gradi C | Eccellente resistenza chimica; adatto per forni ad atmosfera reattiva |
L'emissività non è una proprietà fissa del materiale di un tubo: cambia nel tempo in base alle condizioni della superficie. Un tubo radiante in lega appena fabbricato sviluppa uno strato di incrostazioni di ossido di cromo sulla sua superficie durante il funzionamento iniziale ad alta temperatura (un processo chiamato condizionamento o stagionatura) che in realtà aumenta l'emissività rispetto alla superficie lucidata come prodotta. Questo strato di incrostazioni, tipicamente spesso da 10 a 50 micrometri, ha valori di emissività compresi tra 0,85 e 0,92, superiori alla superficie della lega metallica sottostante compreso tra 0,70 e 0,80. I tubi radianti in lega adeguatamente condizionati quindi irradiano in modo più efficiente rispetto ai tubi nuovi e non condizionati: una scoperta controintuitiva che sottolinea l'importanza della corretta procedura di messa in servizio.
Tuttavia, con l'invecchiamento dei tubi, la crescita delle incrostazioni continua oltre lo strato protettivo ottimale e inizia a sfaldarsi, mentre la carburazione e l'ossidazione interna degradano la parete del tubo. I tubi fortemente incrostati e carburati internamente possono sviluppare una conduttività termica effettiva ridotta delle pareti che compromette il trasferimento di calore dal lato di combustione alla superficie esterna radiante, compensando parzialmente il vantaggio di emissività dello strato di incrostazioni sviluppato.
L'uniformità della distribuzione della temperatura lungo la lunghezza del tubo radiante è un parametro di efficienza che di qualità. Una distribuzione non uniforme della temperatura spreca la superficie disponibile del tubo per il trasferimento di calore e crea concentrazioni di stress termico che accelerano la degradazione del materiale del tubo.
In un tubo radiante diretto (a passaggio singolo), la fiamma del bruciatore è più calda immediatamente a valle della punta del bruciatore, producendo una zona calda localizzata nel primo 20-30% della lunghezza del tubo dove la temperatura supera significativamente il resto del tubo. Questa zona calda può raggiungere temperature elevate Da 100 a 200 gradi C sopra la temperatura media della superficie del tubo , creando una regione di intenso stress termico e ossidazione accelerata e scorrimento che è il punto di inizio più comune per il guasto del tubo radiante nelle a passaggio singolo.
La zona calda rappresenta anche una forma di spreco di efficienza: la temperatura estremamente elevata di questa zona determina localmente un'intensità di radiazione molto elevata, ma la maggior parte della lunghezza del tubo al di sotto della zona calda è significativamente più fredda del necessario per un efficiente trasferimento di calore. Il trasferimento di calore totale dal tubo è quindi distribuito in modo meno uniforme di quello che lo stesso apporto di calore produrrebbe in una configurazione a passaggi multipli o con combustione a fasi a basso contenuto di NOx.
La tecnologia del bruciatore a basse emissioni di NOx, originariamente sviluppata per ridurre le emissioni di ossido di azoto derivanti dalla combustione del gas, ha il vantaggioso effetto collaterale di produrre una distribuzione della temperatura più uniforme lungo la lunghezza del tubo. Organizzando la combustione – bruciando il combustibile in due o tre zone sequenziali lungo il tubo anziché in una fiamma primaria concentrata – la temperatura di picco viene ridotta e il rilascio di calore viene distribuito su una lunghezza del tubo più lunga. Nelle applicazioni a tubi radianti ciò produce:
(Fonte: Baukal, C.E. e Waibel, R.T., "NOx Handbook for the Metals Industry", rapporto tecnico del Gas Research Institute; American Gas Association Laboratories.)
L'efficienza fornita da un sistema di tubi radianti dipende non solo dalla progettazione del tubo e del bruciatore, ma anche da come il sistema di tubi è integrato nella struttura del forno. Diversi fattori di progettazione del forno influenzano in modo significativo l'efficienza termica del sistema.
Il fattore di vista tra il sistema di tubi radianti e il carico del forno – il parametro geometrico che descrive quale frazione di radiazione che lascia la superficie del tubo raggiunge direttamente il carico – determina l'efficienza con cui l'energia irradiata dal tubo riscalda il pezzo. I tubi distanziati troppo lasciano ampie aree della parete laterale del forno direttamente esposte al carico, facendo sì che il carico scambi radiazione con la parete più fredda del forno anziché con la superficie calda del tubo. I tubi distanziati troppo ravvicinati bloccano reciprocamente la visiva del carico (scambio di radiazioni da tubo a tubo) e dell'area della superficie del tubo di scarico quando si riscaldano tubi adiacenti anziché il pezzo in lavorazione.
La spaziatura ottimale dei tubi in un forno a tubi radianti è generalmente determinata dal diametro esterno del tubo (OD) e dall'altezza del forno. Una regola di progettazione comune è quella di distanziare i tubi a una distanza da centro a centro di Da 2 a 3 volte il diametro esterno del tubo quando i tubi sono montati sulle pareti del forno, con il carico posizionato ad una distanza circa pari a Da 1 a 1,5 volte la spaziatura dei tubi dalla faccia del tubo. Questa geometria massimizza il fattore di vista combinato della serie di tubi rispetto al carico mantenendo un accesso adeguato all'aria di combustione e all'alimentazione del carburante. (Fonte: Trinks, W. e Mawhinney, M.H., "Industrial Furnaces", Volume 1, 6a edizione, Wiley, 2003.)
La qualità dell'isolamento delle pareti del forno influisce direttamente sull'efficienza del sistema attraverso i due meccanismi. Uno scarso isolamento provoca una significativa perdita di calore attraverso le pareti e il tetto del forno: calore generato dai tubi radianti ma che fuoriesce attraverso la struttura anziché riscaldare il carico. Questa perdita di parete è una detrazione diretta dell'efficienza dal calore fornito dai tubi. L'isolamento in fibra ceramica nella costruzione di forni moderni raggiunge valori di flusso termico delle pareti di Da 500 a 1.500 W/m2 alla temperatura di esercizio, rispetto a Da 3.000 a 6.000 W/m2 per le pareti dei forni più vecchi isolati in mattoni: una riduzione della perdita di calore delle pareti dal 60 al 75% che si traduce direttamente in una migliore efficienza complessiva del sistema.
La massa termica del forno - l'energia termica immagazzinata nelle pareti e nella struttura del forno che deve essere fornita prima che il forno raggiunga la temperatura operativa da freddo - influisce sull'efficienza principalmente nelle operazioni del forno discontinuo con frequenti cicli di riscaldamento. I forni per mattoni ad alta massa termica richiedono molta più energia combustibile per ciclo per portare il forno alla temperatura rispetto ai modelli con isolamento in fibra ceramica a bassa massa termica. Per le operazioni batch con più di un riscaldamento per turno, l'energia del combustibile consumata nel riscaldamento della struttura del forno può rappresentare dal 10 al 20% del consumo totale di carburante, un componente dell’efficienza che viene spesso trascurata nei confronti dei sistemi che si concentrano solo sull’efficienza operativa in condizioni stazionarie.
L'efficienza del recupero di calore dai fumi è influenzata anche dal disegno del condotto tra gli scarichi dei tubi radianti e il recuperatore o camino. I condotti dei fumi lunghi e non isolati consentono ai gas di scarico caldi di raffreddarsi prima di raggiungere il recuperatore, riducendo la forza motrice della temperatura disponibile per il preriscaldamento dell'aria e la dispersione di calore nell'ambiente. Sistemi ben progettati isolano i condotti dei fumi con fibra ceramica o lana minerale, riducendo al minimo la perdita di calore del condotto e preservando la temperatura dei fumi per la massima efficacia di recupero.
L'efficienza del tubo radiante non è statica: cambia continuamente durante la vita operativa del tubo e del sistema bruciatore. Il monitoraggio sistematico e la manutenzione preventiva sono essenziali per evitare che l'efficienza si riduca rispetto al valore di progettazione con l'invecchiamento delle apparecchiature e il cambiamento delle condizioni di processo.
I seguenti parametri misurabili forniscono una valutazione periodica e in tempo reale dell'efficienza del sistema a tubi radianti:
Le seguenti azioni di manutenzione programmata mantenendo l'efficienza del sistema a tubi radianti pari o prossimi ai valori di progetto per tutta la vita utile del tubo:
Comprendere l'efficienza del tubo radiante richiede contesto: come si confronta con le tecnologie di riscaldamento alternative che competono con esso nelle applicazioni di trattamento termico industriale?
| Tecnologia di riscaldamento | Efficienza termica tipica | Compatibilità dell'atmosfera | Soffitto della temperatura |
| Tubo radiante (senza recupero) | dal 35 al 62% | Piena compatibilità con atmosfera controllata | Fino a 1.150 gradi C (lega); 1.400 gradi C (SiC) |
| Tubo radiante (con recupero) | dal 60 all'85% | Piena compatibilità con atmosfera controllata | Fino a 1.150 gradi C (lega); 1.400 gradi C (SiC) |
| Gas a combustione diretta (fiamma libera) | Dal 40 al 70% (con recupero) | Non compatibile: carico a contatto dei prodotti della combustione | Possibili temperature superiori a 1.400 gradi C |
| Riscaldamento a resistenza elettrica | Dall'85 al 95% (assorbimento elettrico per il riscaldamento) | Piena compatibilità con atmosfera controllata | Fino a 1.800 gradi C con elementi adeguati |
| Riscaldamento elettrico a induzione | Dal 55 al 75% (comprese le perdite dell'elettronica di potenza) | Compatibile con il vuoto e le atmosfere protettive | Oltre 1.200 gradi C con design della bobina appropriato |
Il riscaldamento a resistenza elettrica raggiunge un'efficienza al punto di utilizzo più elevata rispetto ai tubi radianti a gas se misurato in base all'assorbimento elettrico. Tuttavia, quando si considera l’efficienza energetica primaria, tenendo conto delle perdite di efficienza nella generazione e trasmissione di energia elettrica (tipicamente Efficienza di generazione dal 35 al 40%. per le centrali elettriche a combustibile fossile con valore medio di rete) — l'efficienza energetica primaria del riscaldamento a resistenza elettrica a livello di generazione è solo del 30-35%, rispetto al 60-85% dei tubi radianti alimentati a gas recuperato nel punto di combustione del combustibile. Nei mercati con un’elevata penetrazione dell’elettricità rinnovabile, questo confronto tra l’energia primaria cambia favorevolmente per il riscaldamento elettrico, una considerazione sempre più importante man mano che le reti si decarbonizzano. (Fonte: IEA World Energy Outlook; dati EPA sull'efficienza della produzione di energia.)
Per le applicazioni di trattamento termico in atmosfera controllata – cementazione, carbonitrurazione, tempra neutra, ricottura e rinvenimento – il il tubo radiante rimane la combinazione preferita di compatibilità atmosferica ed efficienza del funzionamento a gas , con recupero che forniscono un'efficienza energetica primaria che si avvicina al riscaldamento a resistenza elettrica quando viene applicata la contabilità dell'energia di fonte.
Per gli impianti che utilizzano forni a tubi radianti esistenti che non sono stati ottimizzati per la massima efficienza, le seguenti misure offrono i miglioramenti più significativi ed economicamente vantaggiosi, classificati in base al periodo di ammortamento tipico.
Costo di realizzazione: basso. Periodo di rimborso: immediato. Una singola sessione di misurazione dell'analisi della combustione e di regolazione del bruciatore, utilizzando un analizzatore di gas di combustione portatile calibrato per misurare simultaneamente O2, CO, CO2 e l'efficienza di combustione, può recuperare Dal 5 al 15% del consumo di carburante nei sistemi che funzionano hannoto con uno scarso controllo aria-carburante. Questo è l'intervento sull'efficienza più accessibile e con il più rapido ritorno dell'investimento disponibile e dovrebbe essere la prima azione in qualsiasi programma di miglioramento dell'efficienza dei tubi radianti.
Costo di implementazione: da moderato a ascensore (da 15.000 a 80.000 USD per tubo a seconda delle dimensioni e della configurazione). Periodo di ammortamento: da 12 a 36 mesi ai prezzi tipici del gas naturale industriale. Installando un sistema con bruciatore recuperativo su un tubo radiante precedentemente non recuperato è possibile ridurre il consumo di combustibile dal 20 al 35% a temperature di esercizio comprese tra 900 e 1.050 gradi C. Per i forni con molti bruciatori a tubi radianti (da 8 a 20 bruciatori per forno sono tipici per i modelli con suola a nastro o a rulli continui), il risparmio complessivo di carburante è sostanziale e i periodi di ammortamento sono corrispondentemente brevi.
L'infiltrazione di aria nelle camere del forno attraverso le guarnizioni delle porte, le porte degli elettrodi, le penetrazioni delle termocoppie e le aperture del trasportatore provoca due penalità in termini di efficienza: diluisce l'atmosfera controllata (aumentando il consumo di gas atmosferico) e introduce aria fredda che i tubi radianti devono riscaldare, aumentando il consumo di carburante per nessuna produzione produttiva. La sigillatura sistematica dei percorsi di infiltrazione dell'aria, utilizzando guarnizioni in corda di fibra ceramica sulle porte, guarnizioni di spurgo sulle aperture del trasportatore e guarnizioni in lana minerale sugli attraversamenti degli strumenti, può ridurre il consumo di carburante dal 5 al 12% nei forni più vecchi con guarnizioni deteriorate.
La sostituzione del mattone refrattario deteriorato con l'isolamento del modulo in fibra ceramica sulle pareti e sul tetto del forno riduce contemporaneamente la perdita di calore delle pareti in stato stazionario e la massa termica, migliorando sia l'efficienza operativa continua che l'efficienza del ciclo batch. Per i forni di età superiore a 15-20 anni con isolamento originale in mattoni, gli aggiornamenti dell'isolamento in genere consentono di ottenere un risparmio di carburante di carburante dal 15 al 25% con periodi di ammortamento da 2 a 5 anni a seconda delle dimensioni del forno e delle ore di funzionamento. (Fonte: Programma sulle tecnologie industriali del DOE, "Riduzione e recupero del calore di scarto per migliorare l'efficienza del forno"; Bollettino tecnico IHEA sull'isolamento del forno.)
Il nostro Tubo radiante La gamma di prodotti è progettata e prodotta considerando l'efficienza termica e la durata di servizio come priorità ingegneristiche equivalenti. Ogni tubo della nostra serie è prodotto da leghe di nichel ad alto contenuto di cromo accuratamente selezionati, inclusi i gradi HK40, HP modificato e 35Cr-45Ni, con controllo della composizione e qualità di fusione ottimizzati per l'elevata emissività superficiale, il basso tasso di ossidazione interna e la resistenza allo scorrimento che massimizzano sia l'efficienza della radiazione che la durata di servizio in ambienti impegnativi con forni continui.
Le principali caratteristiche tecniche della nostra serie di tubi radianti che supportano l'efficienza operativa includono:
Che l'applicazione sia una linea di cementazione continua per volumi elevati per autoveicoli in cui il costo del carburante per unità lavorata è il principale parametro economico, un forno di tempra di precisione per il settore aerospaziale in cui l'uniformità della temperatura è il requisito dominante o un forno di sinterizzazione per ceramica speciale che funziona alla massima temperatura consentita dalla tecnologia dei tubi SiC, la nostra serie di tubi radianti fornisce la qualità del materiale e la precisione geometrica necessarie per funzionare alla massima efficienza per tutta la durata di servizio del tubo.
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