Die optimale Lösung industrieller Erwärmungs und Trocknungsprozesse

Erwärmen und Trocknen mit MICOR *KIR-Technologie.

Erwärmungs- und Trocknungsprozesse, sowie Thermobehandlungen von Werkstoffen, erfordern in vielen industriellen Prozessen immer effizientere technologische Lösungen um wirtschaftlich produzieren und fertigen zu können. Betrachtet man viele dieser industriellen Anwendungen im Detail, ist es nicht verwunderlich, dass bei Trocknungsprozessen, Thermobehandlungen von Kunststoffen und Metallen, Löten oder Kleben immer häufiger

kurzwellige Infrarotstrahlung zum Einsatz kommt. 

 

Speziell das Spektrum der kurzwelligen Infrarotstrahlen (0,76μm bis 2μm) hat dabei einiges mehr zu bieten als landläufig bekannt ist.
So wie sich beispielsweise der Einsatz von UV-Trocknungen in der Beschichtungstechnik zum Vernetzen von Silikonsystemen oder im Etiketten- und Flexodruck bei bestimmten Produktsegmenten bewährt und durchgesetzt hat, gibt es auch unzählige Applikationen zum sinnvollen Einsatz für die *KIR-Technologie.

Angefangen von diversen Einsatzmöglichkeiten bei der Holzverarbeitung über die Druckindustrie bis hin zum Trocknen und Aufschmelzen von Pulverlacken und Beschichtungen oder auch Lacktrocknung im Kraftfahrzeugbereich. Des Weiteren gibt es unzählige thermische Prozesse vom Kleberaktivieren an Karosserieblechteilen bis hin zu Thermoformprozessen in der Kunststoffindustrie.
In manchen Einsatzfeldern sind kurzwellige Infrarot-, Erwärmungs-, und Trocknungseinrichtungen in den unterschiedlichsten Prozessen seit Jahren ein vertrautes Bild, ohne jedoch vom Anwender genauer spezifiziert werden zu können. Andere Bereiche sind bis heute, trotz erheblich vorhandener wirtschaftlicher Vorteile beim Einsatz von IR-Strahlung, und hier vor allem der NIR-Technologie, noch immer verwaist.

                                       
MICOR *KIR kurzwellige Infrarotstrahlung
 


Infrarot ist nicht gleich Infrarot

Betrachtet man das elektromagnetische Spektrum, so sieht man die Unterteilung in unterschiedliche Bereiche und Definitionen von
Strahlungen. Angefangen von den Gamma-Strahlen, den X-Strahlen (besser bekannt als Röntgenstahlen), den UV-Strahlen, das sichtbare Licht, IR-Strahlen bis zu den Radiowellen.

Wir betrachten hier den Bereich der IR-Strahlen. IR-Strahlen werden physikalisch korrekt in die Bereiche IR-A, IR-B und IR-C unterteilt.
Für die verbreitete Klassifizierung und Einteilung der Strahler an sich, in kurzwellig, mittelwellig und langwellig sind die geläufigen
Bezeichnungen jedoch unzulässig, da jeder Festkörperstrahler ein Kontinuum abstrahlt und zumindest zwei Bereiche überdeckt.
IRK-Strahler emittieren Strahlung in allen 3 Bereichen. Speziell das Spektrum im Bereich IRA zwischen 0,76μm und 2μm soll hier näher
erläutert werden, um seine immensen Vorteile zur wirtschaftlichen Nutzung zu verdeutlichen.

Schon vor mehr als 15 Jahren warb die aus der Hoechst AG hervorgegangene, damals noch in Kronberg/Ts. und heute in Idstein ansässige Firma MICOR®-Lichtstrahltechnik GmbH mit dem Slogan „Infrarot ist nicht gleich Infrarot“.
Eine technologische Entwicklung, die Ende der sechziger Jahre im Hause Messer Griesheim, einer Tochtergesellschaft der damaligen
Hoechst AG, in der Abteilung „Neue Produkte“ als MELTING by INFRARED CONCENTRATED RADIATION ihre Anfänge u.a. in der Fügetechnik fand, wurde bis heute für viele industrielle Bereiche konsequent weiterentwickelt.
Sogenannte Hellstrahler-Systeme (nahes Infrarot, bis 3.200 K) sind von damals ca. 50 h Lebensdauer auf heute teilweise über
30.000 h Lebensdauer, aus der Beleuchtungstechnik weiterentwickelt und dem industriellen Einsatz zugänglich gemacht worden.
Viele weltweite Patente sind Zeugen dieser langen Periode von Forschung und Entwicklung, von denen heutige Anwender profitieren.
Nahe am sichtbaren Licht gelegen und mit der größten Intensität wird kurzwellige Infrarotstrahlung von der Glühwendel von Quarzlampen erzeugt. Die Farbtemperatur liegt bei bis zu 3.200 K (Halogenglühlampen), wobei aber der Bereich bis 2.400 K Farbtemperatur der Bedeutendere ist. Hier liegen die Vorteile der kurzwelligen Infrarotstrahlung verborgen.

Legt man das Gesetz der Physiker Stefan und Bolzmann:

Bolzmann

zugrunde, dann sind hier die zwei Variablen A [m²] und T [K], zwei entscheidende Faktoren, welche in der Praxis für den Einsatz von kurzwelliger Infrarotstrahlung sprechen.

A = Fläche des Strahlers (hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein *KIR-Strahler mit der Fläche seines gesamten Reflektorsystems strahlt)
Mit großer strahlender Oberfläche wird eine höhere Flächenleistung erzeugt, als mit kleiner Fläche.

T1 = Temperatur der Glühwendel [K]

T2 = Umgebungstemperatur [K]

Die höhere Temperatur der Glühwendel der kurzwelligen Strahler haben hier den größten Einfluß, denn dieser Faktor geht mit der Größe der 4. Potenz in die Betrachtung ein.

Langwellige IR-C-Strahler

Beim langwelligen IR-Flächenstrahler mit ca. 1.000 K gehen 50 % der Strahlung in Richtung Objekt und 50 % der Strahlung in Richtung der Rückseite, wie z.B. die Ofenwände. Reflektorsysteme nutzen hier wenig, da der Strahler selbst mit seiner großen Masse einen Schatten für etwaige, von einem Reflektor reflektierte Strahlung bildet.

Mittelwellige IR-B-Strahler

Gleiches gilt auch für mittelwellige IR-Strahler bis ca. 1.300 K und Karbonstrahler bis ca. 1.200 K, welche aus sehr dicken Glühwendeln
bestehen. Hier bildet die Glühwendel für die von der aufgedampften Goldschicht reflektierte Strahlung selbst einen Schatten. Zudem löst sich die Bedampfung, da auf der Quarzummantelung und damit nahe an der Glühwendel gelegen, bei ca. 700°C auf und reduziert so ebenfalls den Wirkungsgrad.

Kurzwellige IR-A-Strahler

Der kurzwellige Infrarotstrahler mit seinem Strahlungsmaximum von 1,2μm hat eine sehr dünne Glühwendel, welche nur einen geringen Schatten darstellt und bietet daher die ideale Voraussetzung für ein hochwertiges Reflektorsystem. Die erzeugte Energie wird berührungslos durch Strahlung (davon sind ca. 6-7 % Lichtanteil), die sich erst mit der Absorption im bzw. am zu erwärmenden/trocknenden Material in Wärme umsetzt, übertragen. Am bestrahlten Material entscheidet sich über drei wesentliche Faktoren der Grad der Erwärmung, der Trocknung oder Vernetzung von Materialien oder Substraten. Diese Faktoren sind Absorption, Reflektion und Transmission.




Wären immer alle Faktoren eindeutig bestimmbar und absolut, würde die weit verbreitete Theorie zutreffen, eine Strahlungsquelle zu bestimmen, die exakt dem Absorptionsspektrum eines Materials oder Substrates entspricht. Da beispielsweise eine Druckfarbe oder Beschichtung nie aus nur einem Stoff besteht, hinkt diese Theorie. Des Weiteren ist die Transmission der Strahlung ein weiterer wichtiger Faktor. Er garantiert das Eindringen der Strahlung in tieferliegende Schichten und damit auch ein Bewirken von Absorption im Inneren einer Schicht und nicht nur an der Oberfläche.

Daraus resultiert ein optimaler Stoff- und Wärmeübergang im Material. So kann z.B. auch Farbe auf wässriger Basis mit kurzwelliger Infrarotstrahlung hervorragend getrocknet werden, da genügend Farbpigmente, Bindemittel, Harze usw. kurzwellige Infrarotstrahlung absorbieren.



Viel entscheidender für den wirtschaftlichen Einsatz ist der Gesamtwirkungsgrad einer Erwärmungs- und Trocknungseinrichtung, wobei ein hochwertiges Reflektorsystem in Verbindung mit einer wirtschaftlich arbeitenden Strahlungsquelle dem Anwender höchsten Nutzen garantiert. Ein weiterer wichtiger, wirtschaftlicher Faktor ist die Kombination von *KIR-Strahlungstrocknern mit gerichteter Luftströmung. Im Gegensatz zu mittel- und langwelliger Infrarotstrahlung dient bei kurzwelliger Infrarotstrahlung das Medium Luft nicht als Wärmeträger. Es sind hier keine Übertragungsverluste der Energie vorhanden und somit läßt sich kurzwellige Infrarotstrahlung optimal mit konvektiver Trocknung kombinieren, wobei erwärmte Luft für den Wärmestrom QLuft nur noch eine sekundäre Rolle spielt, da der Wärmeübergang in erster Linie durch die vorher beschriebene Absorption geschieht.

*KIR-Trocknungseinrichtungen beispielsweise kombinieren beide Technologien so, dass laminare Luftströmungen im Bereich des *KIR-Trockners in turbulente überführt werden. Damit werden Grenzschichten, welche vor allem den Stoffübergang (Austreiben des Lösemittels in die Trocknerluft) behindern, aufgerissen und der Trocknungsvorgang beschleunigt. Infrarotstrahlungsquellen werden mittlerweile von vielen Firmen im kompletten Spektrum, in allen möglichen Bauformen hergestellt und von noch mehr Händlern vertrieben. Hierzu gehören auch Standardelemente zur bauseitigen Erstellung ganzer Erwärmungs- und Trocknungszonen, wie auch Komponenten, zur elektrischen Ansteuerung der Infrarotstrahler. Allzu oft wird aber vergessen, dass zum erfolgreichen Einsatz der *KIR-Technologie, anwendungs- und verfahrenstechnische Kenntnisse genauso wichtig sind wie eine spezielle Performance der Gesamtanlage. Dazu gehören z.B. Hochleistungs-Reflektorsysteme, optimal auf die jeweilige Produktionsanlage abgestimmte Prozess-Steuerungen, sowie die Komplettauslegung der Trocknungsprozesse mit den zugehörigen lufttechnischen Betrachtungen, um ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit (Kosten, installierte Leistung, Ausstoß), Betriebssicherheit und Lebensdauer zu erreichen.
Auch bei der Realisierung und Optimierung von thermischen Prozessen wie z.B. Erwärmung von Papier und Kartonbahnen, als auch Kunststofffolien zur Konditionierung, sowie Prägeerwärmung sind *KIR-Erwärmungssysteme, als komplette Prozesseinrichtungen, mit einem Höchstmaß des Wirkungsgrades einsetzbar (Kosten, installierte Leistung, Ausstoß).

Industrielle Einsatzmöglichkeiten im Bereich Druck- und Beschichtung

Speziell im Bereich Druck- und Beschichtung wurde durch konstruktive und mechanische Verbesserung an den Auftragswerken, die Einführung und Optimierung von Steuerelektronik, als auch durch die Entwicklung neuer Farbsysteme Produktionsgeschwindigkeiten erheblich gesteigert und damit erhöhte Forderungen an die Trocknung der Druck- und Beschichtungsanlagen gestellt. Des Weiteren resultieren erhöhte Anforderungen an die Trocknungseinrichtungen von Druck- und Beschichtungsanlagen durch immer kritischere  Werte bezüglich der Restlösemittelmengen in Druck- und Beschichtung für die unterschiedlichsten Druckerzeugnisse wie z.B. Lebensmittelverpackungen und Zigarettenverpackungen im flexiblen Verpackungsbereich als auch an Illustrationstiefdruckprodukten.
Im Falle von Warmlufttrocknern wird durch aufwendige Düsensysteme, Erhöhung von Luftgeschwindigkeiten und den damit  verbundenen hohen Umluftmengen der Wärmeübergang (Übertragen der Wärme auf das Substrat) verbessert und ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Jedoch wird hierfür eine sehr hohe aufzubringende Menge an Primerenergie benötigt. Eine höhere  Temperaturbelastung auf die unterschiedlichsten Druckträgermaterialien ist ein weiterer, nicht immer gewünschter Effekt, welcher sich negativ auf verschiedene Druckträgermaterialien auswirken kann. Gleiche Einflüsse gelten, bedingt durch längere Verweilzeiten im Trockner, in immer länger werdenden Trocknungsstrecken an den beschriebenen Produktionsanlagen, welche vor allem bei Neuanlagen aus den steigenden Anforderungen der Kunden resultieren. Auch der höhere Anfall an Makulatur durch längere Bahnwege an Druck- und Beschichtungsanlagen sollte Berücksichtigung finden. Bei einer Betrachtung des Marktes durch viele intensive Gespräche mit Anwendern wird häufig klar, dass die vordergründig bekannten Optimierungsmöglichkeiten sicherlich eine Lösung vieler Trocknungsprobleme versprechen, jedoch nicht immer praktikabel bzw. wirtschaftlich umzusetzen sind. Dieses gilt in erster Linie für bestehende Druck- und Beschichtungsanlagen, welche durch erhöhte Anforderungen an ihren Kapazitäts- und Qualitätsgrenzen produzieren.

Hier sind Einsatzmöglichkeiten gegeben und innovative Investitionsentscheidungen für kurzwellige Trocknungs-Technologie gefragt. Investitionen in Trocknungsoptimierungen an bestehenden Produktionslinien sind oft eine Alternative zur Neuanlage mit akzeptablen Amortisationszeiten. Gleiches kann auch für Neuanlagen gelten, wobei hier vor allem an Inline-Prozesse wie Kalt- und Heißsiegelkleberaufträge, Lackierungen usw. im Flexo- und Tiefdruckbereich gedacht wird, um Trocknungsstrecken möglichst kurz zu halten. Nicht zu vergessen ist der oftmals reduzierte Aufwand für Lufterwärmung mit allen dazugehörigen Aggregaten. Die Erfahrung jedoch zeigt, dass viele Druck- und Beschichtungsmaschinenhersteller sich schwer tun hier umzudenken. Sie setzen auf verlängerte Konvektionstrockenstrecken, es sei denn, ein Kunde wünscht ausdrücklich eine alternative Trocknungsausführung. Auch die Druckwerktrocknungen an Tiefdruckmaschinen beinhalten oft ein limitierendes Kriterium für eine qualitativ hochwertige und wirtschaftliche Produktion und bieten Einsatzmöglichkeiten für *KIR-Trocknungssysteme. Kombinierte Hochleistungstrocknungssysteme auf der Basis kurzwelliger Infrarotstrahlung mit den dazugehörigen Ablaufund Prozesssteuerungen, welche sich mittlerweile seit vielen Jahren im Einsatz befinden, belegen ihre Berechtigung. Sie sind auch für die Verarbeitung von lösemittelhaltigen Druckfarben und Beschichtungen verfügbar.  Sie entsprechen den gültigen Ex-Schutz-Bestimmungen (ATEX).

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