Duct Heaters

Wat is een duct heater?

Een duct heater is een samenstel van verwarmingselementen op een montageplaat of in een kast, dat in een luchtkanaal wordt geplaatst om lucht bij lage druk te verwarmen. De Nederlandse vakterm is kanaalluchtverhitter, en in de markt hoor je ook kanaalverwarmer en elektrische luchtverhitter.

Het principe is in alle gevallen hetzelfde: lucht stroomt langs de elementen, neemt warmte op en verlaat het kanaal op de gewenste temperatuur. Het onderscheid met andere verwarmingsvormen zit in het medium. Waar een dompelelement of doorstroomverwarmer een vloeistof opwarmt, werkt een duct heater met lucht of gas.

Dat verschil is niet cosmetisch: lucht geleidt warmte ruim twintig keer slechter dan water, waardoor de elementen in een kanaal een veel lagere belasting verdragen. De keuze voor het juiste type verwarmingselement begint daarom altijd bij het medium en de stroomsnelheid, niet bij het gewenste vermogen.

Hoe verwarmt een duct heater de lucht?

Een duct heater verwarmt de lucht via geforceerde convectie: een ventilator duwt of zuigt lucht langs de elementen, en de lucht neemt de warmte mee die het elementoppervlak afgeeft. De weerstandsdraad in het element wordt opgewarmd door de stroom, de warmte gaat via de magnesiumoxide-isolatie naar de mantel, en pas daar draagt de mantel de warmte over aan de lucht.

De manteltemperatuur ligt daarbij altijd fors boven de luchttemperatuur. Verwarm je lucht van 20 naar 120 graden Celsius, dan kan de mantel van het element makkelijk op 400 tot 600 graden Celsius staan. Die marge is nodig, want zonder groot temperatuurverschil komt er te weinig warmte in de lucht.

De marge maakt het toestel tegelijk kwetsbaar: valt de luchtstroom weg, dan verdwijnt de koeling en loopt de manteltemperatuur binnen seconden weg naar een niveau waarop de weerstandsdraad doorbrandt.

Welke verwarmingselementen zitten in een duct heater?

Duct heaters worden gebouwd met open coil elementen of met buiselementen. Beide typen zetten elektriciteit om in warmte, maar ze verschillen in hoe ze die warmte aan de lucht afgeven en hoe goed ze tegen vervuiling kunnen.

Open coil elementen

Open coil elementen bestaan uit een blank opgewonden weerstandsdraad die op keramische isolatoren in de luchtstroom hangt. Het rendement naar de lucht is hoog omdat er geen mantel tussen zit, en de drukval is laag.

De draad ligt alleen ook onbeschermd in de stroom, wat ze ongeschikt maakt voor vochtige, stoffige of agressieve lucht en voor omgevingen waar aanraking mogelijk is.

Buiselementen

Buiselementen hebben een gesloten metalen mantel met daarin de weerstandsdraad, ingebed in magnesiumoxide. Dat maakt ze robuust, reinigbaar en geschikt voor lucht die vocht, stof of dampen bevat.

Rokoma levert buiselementen vanaf ongeveer 6,5 tot 8,5 mm diameter, die in koude toestand in vrijwel elke vorm te buigen zijn. Daardoor laat een elementbundel zich aanpassen aan de doorsnede van het kanaal in plaats van andersom, en kun je de verwarmde lengte vergroten zonder het kanaal te verlengen.

Welk mantelmateriaal kies je voor een duct heater?

Het mantelmateriaal kies je op basis van de maximale manteltemperatuur en de samenstelling van de lucht. Roestvast staal volstaat voor de meeste procesluchttoepassingen, terwijl nikkellegeringen zoals Incoloy 800 gebruikt worden waar de manteltemperatuur richting de bovengrens loopt of waar oxidatie en corrosie een rol spelen.

Bij vochtige of chemisch belaste lucht kies je een corrosiebestendige uitvoering, ook als de temperatuur dat op zichzelf niet vraagt.

Hoe bepalen watt-dichtheid en luchtsnelheid de levensduur?

Watt-dichtheid en luchtsnelheid bepalen samen de levensduur van de elementen, omdat de langsstromende lucht de mantel koelt. Watt-dichtheid is het vermogen per vierkante centimeter mantel, en dat getal moet passen bij de luchtsnelheid in het kanaal.

Voor geforceerde luchtverwarming liggen gangbare richtwaarden tussen 2,0 en 4,5 W/cm² bij luchtsnelheden van ongeveer 2 tot 5 m/s, met een bovengrens rond 6 W/cm².

Dit zijn indicatieve waarden, geen normen: de werkelijke grens hangt af van mantelmateriaal, inlaattemperatuur en de gewenste uittredetemperatuur. De logica erachter is eenvoudig. Snellere lucht voert meer warmte af, waardoor de mantel koeler blijft en er dus meer vermogen per vierkante centimeter mag worden opgedrukt.

Zakt de luchtsnelheid, dan stijgt de manteltemperatuur bij hetzelfde vermogen. Onder ongeveer 1 m/s koelt de lucht niet meer voldoende en wordt elke watt-dichtheid riskant.

Kies je bewust een lagere watt-dichtheid dan het maximum, dan levert dat direct langere standtijd op, en dat is meestal goedkoper dan een element dat je twee keer per jaar vervangt.

Hoe bereken je de watt-dichtheid over de verwarmde lengte?

De watt-dichtheid bereken je door het vermogen te delen door het manteloppervlak, waarbij je uitsluitend de verwarmde lengte meetelt. De koude zones aan de aansluitzijde geven geen warmte af en tellen dus niet mee. Dit is de fout die in de praktijk het vaakst wordt gemaakt en die tot een te optimistische uitkomst leidt.

Een rekenvoorbeeld maakt het concreet. Een buiselement van 8,5 mm met 1.000 mm verwarmde lengte heeft een manteloppervlak van ongeveer 267 cm². Zet je daar 2.000 W op, dan kom je uit op circa 7,5 W/cm², ruim boven wat lucht aankan.

Om hetzelfde vermogen op 3 W/cm² te krijgen heb je ongeveer 670 cm² nodig, oftewel ruim 2,5 meter verwarmde lengte of meerdere elementen naast elkaar. Een duct heater bestaat om die reden bijna altijd uit een bundel elementen in plaats van uit één zwaar element.

De uitkomst van deze berekening is indicatief en vervangt geen ontwerpcontrole voor de specifieke installatie.

Hoe bereken je het vermogen van een duct heater?

Het vermogen van een duct heater bereken je uit het luchtdebiet en de gewenste temperatuurstijging. Lucht heeft bij kamertemperatuur een dichtheid van ongeveer 1,2 kg/m³ en een soortelijke warmte van ongeveer 1,005 kJ/kg·K, wat neerkomt op circa 0,00034 kW per m³/h per graad temperatuurstijging.

Voor een kanaal met 2.000 m³/h dat de lucht 40 graden Celsius moet opwarmen, kom je daarmee op ongeveer 27 kW. Daar telt in de praktijk nog een marge bij voor kanaalverliezen, een koude start en de regelmarge van de installatie, waarmee je richting 30 kW gaat.

Bij hogere uittredetemperaturen daalt de dichtheid van de lucht en wordt de uitkomst optimistischer dan de werkelijkheid, dus reken bij temperaturen boven ongeveer 150 graden Celsius met de eigenschappen van de lucht bij bedrijfstemperatuur. Ook deze berekening is een richtgetal voor een eerste inschatting.

Waarom mag de luchtstroom nooit wegvallen?

De luchtstroom mag nooit wegvallen omdat een duct heater die onder spanning blijft staan terwijl de lucht stilstaat, doorbrandt. De elementen blijven warmte produceren, maar er is niets meer dat die warmte afvoert, en de manteltemperatuur schiet voorbij de grens van het materiaal.

Vrijwel elke voortijdige uitval van een kanaalluchtverhitter is hierop terug te voeren, en dat gebeurt meestal niet door een defect element maar door een ventilator die uitvalt, een dichtgeslibd filter of een gesloten klep.

Een goed uitgevoerde installatie beveiligt daarom op meerdere niveaus tegelijk:

• Luchtstroombewaking: een flow switch of differentiedrukschakelaar aan de inlaatzijde die het vermogen afschakelt zodra het debiet onder de minimumwaarde zakt.
• Tweetraps thermische beveiliging: een eerste thermostaat die automatisch reset bij normale temperatuurpieken, en een tweede met handreset die pas vrijgegeven wordt na inspectie.
• Interlock met de ventilator: de verwarming kan elektrisch niet inschakelen zonder draaiende ventilator, en de ventilator blijft na uitschakelen nalopen tot de elementen zijn afgekoeld.
• Manteltemperatuurmeting: een thermokoppel in een dompelbuis op één van de elementen, zodat je de werkelijke elementtemperatuur ziet en niet alleen de luchttemperatuur.

Die laatste meting wordt vaak overgeslagen omdat er al een kanaalsensor hangt, maar de luchttemperatuur stroomafwaarts reageert traag en zegt weinig over de toestand van de mantel. Een thermokoppel op het element zelf signaleert een beginnend probleem voordat de hoge-limietbeveiliging in actie hoeft te komen.

Hoe regel en bewaak je een duct heater?

Een duct heater regel je op de luchttemperatuur stroomafwaarts en bewaak je daarnaast op de manteltemperatuur van de elementen. De regeling bepaalt hoe strak de uittredetemperatuur wordt vastgehouden en hoe zwaar de elementen thermisch belast worden.

Er zijn drie gangbare manieren om het vermogen te sturen, en het verschil tussen de eerste en de laatste is aanzienlijk.

Een contactor schakelt het volledige vermogen aan en uit. Dat is de goedkoopste vorm, maar elke schakeling geeft een thermische schok aan de mantel en de temperatuur golft rond het setpoint.

Een halfgeleiderrelais of thyristorsturing schakelt snel en zonder bewegende delen, waardoor de temperatuur veel vlakker blijft en de elementen minder uitzettingscycli maken. Impuls-pauzeregeling zit daartussenin en verdeelt het vermogen over korte perioden, wat bij lagere vermogens vaak voldoende is.

Voor het aansturen en uitlezen levert Rokoma temperatuurregelaars die zowel met thermokoppels als met weerstandssensoren werken, zodat de regeling aansluit op de sensoren die al in het kanaal zitten.

Regel bij voorkeur op de luchttemperatuur stroomafwaarts en bewaak daarnaast de manteltemperatuur als aparte grenswaarde. Zo stuur je op wat het proces nodig heeft en bescherm je tegelijk het element.

Hoe wordt een duct heater in het kanaal gemonteerd?

Een duct heater wordt zowel in ronde als in rechthoekige kanalen gemonteerd, als insteekuitvoering of als tussenbouwuitvoering. De kanaalvorm bepaalt vooral de opbouw van de elementbundel. In een rond kanaal draagt een flens of montageplaat de elementen, in een rechthoekig kanaal zit de bundel meestal op een frame met steunplaten die doorbuigen bij hogere temperaturen voorkomen.

Daarnaast kies je tussen een insteekuitvoering, waarbij de elementen door een opening in het bestaande kanaal worden geschoven, en een tussenbouwuitvoering, waarbij een compleet kanaaldeel met verwarming in de leiding wordt opgenomen. Houd bij beide varianten rekening met de drukval over de elementbundel, want die telt mee in de dimensionering van de ventilator.

Een dichte bundel met veel elementen levert een hogere drukval dan een ruime bundel bij hetzelfde vermogen, en dat verschil bepaalt of je bestaande ventilator het debiet nog haalt.

Waar worden duct heaters in de maakindustrie ingezet?

Duct heaters worden in de maakindustrie vooral ingezet voor drogen, voorverwarmen van proceslucht, vochtregeling, naverwarmen en het op temperatuur houden van ovenlucht. De gemene deler is een luchtstroom die een gecontroleerde temperatuur moet hebben.

Dit zijn de meest voorkomende toepassingen:

• Drogen: droogtunnels en droogkasten voor coatings, granulaat, poeders en gereinigde onderdelen.
• Voorverwarmen: procesluchtsystemen waar de lucht op temperatuur moet zijn voordat hij het proces in gaat.
• Vochtregeling: het opwarmen van lucht om de relatieve luchtvochtigheid te verlagen in productie- en opslagruimten.
• Naverwarmen: het bijverwarmen van lucht na warmteterugwinning of koeling, om per zone de gewenste temperatuur te halen.
• Ovenlucht en recirculatie: het op temperatuur houden van circulerende lucht in ovens en klimaatkamers.

Bij elke toepassing verschuiven de eisen. Drogen vraagt om hoge uittredetemperaturen en dus om een ruime marge op het mantelmateriaal, terwijl naverwarming juist om een fijne regeling vraagt bij een beperkte temperatuurstijging.

De samenstelling van de lucht telt daarbij even zwaar mee als de temperatuur: lucht met oplosmiddeldampen, stof of een hoge vochtbelasting vraagt om een gesloten mantel en een lagere watt-dichtheid dan schone lucht bij hetzelfde vermogen.

Aan de slag met duct heaters met Rokoma

Rokoma levert de verwarmingselementen en de meet- en regeltechniek die in een duct heater zitten, niet het complete kanaaltoestel. Buiselementen op maat, thermokoppels en weerstandssensoren voor de temperatuurbewaking en regelaars voor de aansturing komen uit hetzelfde assortiment, zodat de componenten op elkaar aansluiten.

Twijfel je over de watt-dichtheid, de elementlengte of het mantelmateriaal bij jouw luchtdebiet en uittredetemperatuur? Bij Rokoma krijg je een technicus aan de lijn die zelf met deze elementen werkt, geen verkoper.

Geef door wat er door het kanaal stroomt, welk debiet je hebt en welke temperatuur je nodig hebt, dan denken we mee over de juiste uitvoering. Ook voor vervanging van een doorgebrand element in een bestaande installatie, standaard of op maat vanaf één stuk, met spoedlevering wanneer de lijn stilstaat.