IR-Strahlerarten

IR-Strahlerarten

Soll ein Werkstoff durch Einsatz von IR-Strahlung erwärmt oder getrocknet werden, so ist dies prinzipiell mit Heizelementen unterschiedlicher Bauart möglich.

Die Auswahl der für die Erwärmungsaufgabe am besten geeigneten Strahlungsquelle hat maßgeblichen Einfluss auf den technischen und wirtschaftlichen Erfolg des Verfahrens.

Nicht allein die technischen Eigenschaften einer bestimmten Strahlungsquelle, sondern auch die IR-Absorptionsfähigkeit des Erwärmungsgutes sowie der konstruktive Aufbau der gesamten IR-Anlage, müssen in die Entscheidung für die Auswahl einer bestimmten Strahlerart einbezogen werden.

Im Markt bekannt sind keramische IR-Strahler, Metallrohr-Strahler, Quarz-Strahler, Halogen-Strahler, Folien-Strahler, Gas-Strahler sowie Strahler mit offenliegenden Heizwendeln.

Keramik-Strahler

Der keramische Infrarotstrahler besteht aus einem Widerstands-Heizleiter, der durch geeignetes keramisches Material vollständig eingebettet ist. Durch die vollständige Einbettung wird die vom Heizleiter erzeugte Energie gleichmäßig auf das ihn umgebende keramische Material übertragen. Zugleich schützt die Keramik den Heizleiter vor vielen äußeren Einflüssen und trägt somit zur Verlängerung der Lebensdauer bei. Der Werkstoff, der zur Einbettung des Heizleiters verwendet wird, ist elektrisch nicht-leitend und sollte über gute Emissionseigenschaften im gewünschten IR-Wellenlängenbereich verfügen. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien sind keramische IR-Strahler in unterschiedlichen Geometrien herstellbar.

Keramische Infrarotstrahler sind demnach keramische Körper, bei denen ein Teil der Oberfläche als Strahlungsfläche mit eingebauter Heizwendel genutzt wird. Bei keramischen IR-Strahlern besteht darüber hinaus die Möglichkeit, ein Thermoelement in unmittelbarer Nähe des Heizleiters ortsfest zu positionieren.

Metallrohr-Strahler

Der Metallrohrstrahler ist ein Heizelement, welches ursprünglich zur Erwärmung von flüssigen Medien entwickelt wurde und noch heute dazu überwiegend verwendet wird. Der Metallrohstrahler besteht aus einem Metallrohr mit einem innenliegenden Heizleiter, der durch ein Magnesium-Oxyd-Pulver allseitig umgeben ist.

In Einzelfällen wird der Metallrohrstrahler auch als IR-Strahler zum Aufbau von Heizflächen verwendet. Integrierte Thermoelemente sind dabei nicht Stand der Technik. Aufgrund seiner Bauform emittiert der Metallrohrstrahler entlang seines Umfangs in alle Richtungen. Zur Vermeidung von Strahlungsverlusten kommen Reflektoren zum Einsatz, die jedoch bei höheren Strahlungsleistungen bzw. Betriebstemperaturen, ebenso wie der Strahler selbst, verzundern und dadurch den Wirkungsgrad reduzieren.

Metallrohrstrahler verfügen, materialbedingt, über eine geringere Emissionsfähigkeit als Keramik-Strahler. Zum Aufbau von ebenen Heizflächen oder bei der Herstellung von IR-Anlagen ist der Metallrohr-Strahler nur bedingt geeignet, insbesondere dann, wenn die Abstrahlfläche einer Heizfläche thermisch möglichst homogen ausgelegt werden muss.

Quarz-Strahler

Der Quarzstrahler besteht aus einem Quarzgut- oder Quarzglasrohr, in das eine Heizwendel eingelegt ist. Zwischen Heizleiter und Rohr befindet sich kein weiteres Füllmaterial. Es gibt ihn in unterschiedlichen Bauformen. Eine davon ist die Auslegung als Flächenstrahler in Form einer Kassette mit mehreren nebeneinander positionierten Quarzrohren.

Aufgrund der Bauart des Quarzstrahlers ist der Einbau eines integrierten Thermoelementes in unmittelbarer Nähe des Heizleiters nur bedingt möglich. Durch seine Bauform kann eine vergleichsweise hohe thermische Belastung des Heizleiters dadurch entstehen, dass sich betriebsbedingt einzelne Windungen des Heizleiters aufeinander zubewegen (sog. „Wandern der Heizwendel“), was als häufige, vorzeitige Ausfallursache zu beobachten ist.

Weiterhin muss auch auf den Betrieb des Quarzstrahlers in vertikaler Position verzichtet werden, da hierdurch die freiliegende Heizwendel beschädigt wird.

Die in Quarz-Flächenstrahlern nebeneinander angeordneten Quarzrohre sind seitlich sowie rückseitig von einem Metallgehäuse umgeben, welches der Befestigung dient aber auch als Reflektor notwendig ist. Insbesondere bei Quarzstrahlern mit höherer Leistung ist ein frühzeitiger Verlust der Reflektorleistung durch Materialverzunderung zu verzeichnen.

Im Vergleich zum Keramikstrahler stellt der Quarzstrahler eine eher fragile Konstruktion dar, die nicht für alle mechanischen Belastungssituationen und Betriebsbedingungen, wie z.B. Vibrationen, Stoß und Beaufschlagung mit Werkstoffen geeignet ist.

Halogen-Strahler

Der Halogenstrahler besteht aus einem Glaskolben mit eingebautem Wolfram-Heizleiter, der durch ein halogenhaltiges Gasgemisch vor Oxydation geschützt wird. Der Halogenstrahler emittiert IR-Strahlung, deren Strahlungsleistungs-Maximum sich im kurzwelligen IR-Bereich befindet. Der Heizleiter wird in relativ kurzer Zeit auf Temperaturen von ca. 1.800 °C erwärmt. Dadurch entsteht auch sichtbares Licht ausserhalb des IR-Bereiches. Die Verwendung eines integrierten Thermoelementes ist beim Halogenstrahler nicht möglich. Halogenstrahler werden mit integrierten oder mit externen Reflektoren betrieben.

Aufgrund der IR-Emission im eher kurzwelligen Bereich ist der Einsatz des Halogenstrahlers zur Erwärmung jener Werkstoffe geeignet, die IR-Strahlung im kurzwelligen Bereich absorbieren. Dies ist nicht bei der Mehrzahl der Werkstoffe der Fall. Wird ein Halogenstrahler dennoch zur Erwärmung eines Werkstoffes eingesetzt, der überwiegend ausserhalb des vom Halogenstrahler emittierten Bereiches absorbiert, sind hohe Wirkungsgradverluste die Folge. IR-Strahlungsanteile, die nicht vom Werkstoff absorbiert werden, bewirken die unerwünschte Erwärmung der Umgebung des Werkstoffes.

Da Halogenstrahler auch sichtbares Licht erzeugen, werden gängige Arbeitsschutzbestimmungen häufig nicht erfüllt (Blendwirkung, Grauer Star). Ein Anteil von 5-7 % der vom Halogenstrahler erzeugten Gesamtstrahlungsleistung ist sichtbares Licht. Es leistet keinen nennenswerten Beitrag zur Erwärmung.

Bei der Beurteilung eines Halogenstrahlers sind weitere nachfolgende Kriterien von Bedeutung:

Die elektrische Lebensdauer ist im Vergleich zu Keramikstrahlern ähnlicher Baugröße gering, wenn Halogenstrahler dort verwendet werden, wo der Taktbetrieb der Erwärmungsanlage eine wesentliche Rolle spielt. Die häufigen Aufheiz- und Abkühlintervalle behindern den chemischen Prozess der Rekombination zwischen Heizleiter und Gasgemisch im Inneren des Glaskolbens.

Die mechanische Festigkeit im Hinblick z.B. auf Vibration, Stoß und Beaufschlagung mit Werkstoffen, erfüllt nicht alle Anforderungen. Zur Vermeidung von Wendelstauchungen und elektrischem Kurzschluss muss auf den Einbau in vertikaler Lage verzichtet werden.

Durch die vergleichsweise hohen Betriebstemperaturen ist die Konstruktion hochwertiger Reflektoren, Isolatoren, mechanischer Bauteile und ggf. auch Kühlvorrichtungen, wie elektrische Lüfter, notwendig.

Folien-Strahler

Folienstrahler sind Heizelemente, bei denen ein metallischer Heizleiter in flächiges Kunststoffmaterial eingebettet ist. Der Kunststoff dient dabei als Träger- und Isolationsmaterial. Folienstrahler sind flexibel und stehen in frei wählbarer Länge und Breite zur Verfügung. Sie werden sowohl zur Kontakt- als auch zur IR-Erwärmung verwendet. Die Betriebstemperatur ist materialbedingt auf ca. 280 °C begrenzt.

Werden Folienstrahler als IR-Strahler verwendet, ist ein wesentliches Anwendungsgebiet die Beheizung von Räumen, da hierbei im Vergleich zu Industrieapplikationen geringere Leistungsdichten und niedrigere Oberflächentemperaturen gefordert sind. Die installierte Leistung wird auf eine relativ große Fläche verteilt, dabei liegt das Maximum der Strahlungsleistung im langwelligen IR-Bereich. Werden Folienstrahler als Raumheizer verwendet, erfolgt die Erwärmung der Gegenstände im Raum, wegen der relativ geringen Flächenleistung, überwiegend durch Konvektion.

Gas-Strahler

Gasstrahler existieren als Hell- oder Dunkelstrahler. In der Bauart als Hellstrahler wird Gas in ein perforiertes Rohr oder auf ein keramisches Glühgitter geleitet und dort bei offener Flamme verbrannt. Die dabei entstehende Verbrennungswärme dient zur Erwärmung des keramischen Glühgitters. Das Glühgitter emittiert die aufgenommene Energie als IR-Strahlung. Beim Gas-Dunkelstrahler wird ein Gas-Luftgemisch in einem geschlossenem Rohrsystem verbrannt. Hierbei ist das erwärmte Rohr der Strahlungskörper. Gasstrahler werden überwiegend zur Beheizung von Räumen aber auch in der Gastro-Technik verwendet.

Im Verleich zu elektrisch betriebenen keramischen IR-Strahlern ist zum Betrieb von Gasstrahlern ein wesentlich höherer Installationsaufwand für z.B. Zuleitungssystem, Zünd- und Brenner-Steuerung sowie Abgasanlage erforderlich. Gasstrahler können nur dort betrieben werden, wo eine entsprechende Gasversorung gewährleistet ist und auch etwaige Sicherheitsanforderungen (Brandschutz/ Explosions-Schutz) erfüllt werden.

Das Hauptanwendungsgebiet von Gasstrahlern in industriellen Prozessen ist deren Verwendung in Brennöfen. In anderen Herstellungsprozessen werden Gasstrahler in der Regel nicht verwendet, da hierbei elektrisch betriebene Heizelemente wirtschaftliche und technische Vorteile bieten.

IR-Strahler mit offenliegender Heizwendel

Strahler mit offener Heizwendel verfügen über im Querschnitt flache oder runde Heizleiter, die frei in einem Gehäuse angeordnet oder zur Befestigung in ein thermisch isolierendes Trägermaterial eingebettet sind, wobei der ganze Heizleiter oder ein Teil davon eine Abstrahlfläche ohne jede Umhüllung bildet.

Der wesentliche Existenzgrund für Strahler mit offenliegender Heizwendel ist die vergleichsweise kurze Reaktionszeit beim Aufheizen und Abkühlen. Hierbei handelt es sich um eine singuläre Strahlereigenschaft, die in einigen Fertigungsprozessen notwendig ist und gefordert wird. Bei den meisten dieser thermisch schnell reagierenden Strahler, ist der Einbau eines Thermoelementes in unmittelbarer Nähe des Heizleiters nicht realisierbar.

In Abhängigkeit von der Konstruktion und der Art des Einbaus in das Trägermaterial oder Trägergehäuse, kommt es zu deutlichen Unterschieden im Hinblick auf die Lebensdauer eines solchen Strahlers im Vergleich zu einem Strahler anderer Bauart. Ein Beispiel dafür sind die zickzack-förmig gestalteten und vertikal eingebetteten Heizleiter. Die stirnseitige primäre Abstrahlfläche des Heizleiters ist nur einige zehntel Milimeter breit. Die im Verhältnis dazu großen vertikalen Abstrahlflächen, sind in der Regel mäanderförmig angeordnet, verbunden mit dem Nachteil, dass sie sich gegenseitig anstrahlen. Dies reduziert bei IR-Strahlern dieser Bauart, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen, die Lebensdauer des Heizleiters.

Unabhängig davon, ob der Heizleiter am Trägermaterial vertikal oder horizontal angeordnet ist, kommt es in zahlreichen Fällen zum elektrischen Ausfall des Heizleiters an der Kontaktstelle zur Spannungsversorgung. Offenliegende Heizleiter, die aus Rundmaterial hergestellt werden, erreichen höhere Standzeiten.

Weitere IR-Strahlervarianten

Es befinden sich darüber hinaus weitere IR-Strahler anderer Bauart im Markt. Diese haben in der Verarbeitenden Industrie im Vergleich zu den hier erwähnten Systemen eine geringere quantitative Bedeutung.

Zusammenfassung // Ausblick

Die hier aufgeführten Vergleiche beruhen zu einem großen Teil auf Beobachtungen und Erkenntnissen aus der betrieblichen Praxis. Dabei zeigt sich, dass elektrisch betriebene keramische IR-Strahler mit vollständig eingebettetem Heizleiter, im Vergleich zu anderen IR-Strahlern, universell verwendet werden können und zumeist über höhere Standzeiten verfügen. Diese Tatsache wird in zahlreichen Fällen dahingehend genutzt, dass Strahler anderer Bauart gegen keramische IR-Strahler ausgetauscht werden. Der weltweit wachsende Trend der ökonomischen und ökologischen Optimierung von Fertigungsanlagen beginnt in zahlreichen Fällen mit der Entscheidung für den Einsatz keramischer IR-Strahler. Entscheidungen in umgekehrter Richtung sind selten zu beobachten.