Published on 5/27/2024

Forni a vuoto a doppia camera vs. forni a vuoto a camera singola - Una prospettiva energetica

Forni a vuoto a doppia camera vs. forni a vuoto a camera singola - Una prospettiva energetica

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Dal 17 al 19 aprile 2024, TAV VACUUM FURNACES ha partecipato come relatore alla 4° MCHTSE, Mediterranean Conference on Heat Treatment and Surface Engineering, tenutasi a Lecce.

Il nostro intervento si è concentrato sugli aspetti energetici del trattamento termico a vuoto, un tema verso il quale tutti noi del settore dobbiamo prestare attenzione per ridurre le emissioni di carbonio, puntando a un futuro a zero emissioni nette.

Abbiamo già analizzato il ruolo essenziale che i forni a vuoto svolgeranno in questa transizione, con particolare attenzione all'ottimizzazione dei consumi energetici, in un nostro precedente articolo; con questa nuova presentazione, invece, abbiamo voluto sottolineare come la scelta della giusta configurazione del forno a vuoto per un determinato processo possa avere un impatto sull'energia necessaria per eseguire tale processo. A tal fine, abbiamo confrontato due diversi design di forno, ovvero forni a vuoto a camera singola e forni a vuoto a doppia camera, dettagliando tutti i componenti di consumo energetico.

Come anteprima della nostra presentazione, riassumeremo qui di seguito come le caratteristiche principali del design dei due forni a vuoto influiscono sulle loro prestazioni energetiche.

Iniziamo introducendo il protagonista del nostro confronto: un forno a vuoto a camera singola isolato in grafite, modello TAV H4, e un forno doppia camera TAV DC4, entrambi con volume utile di 400-400-600 mm.

 

TAV DC4, forno a vuoto a doppia camera per la cementazione a bassa pressione e tempra in gas

 

In un forno a vuoto a camera singola, come il TAV H4, l'intero processo viene eseguito con la carica all'interno della camera termica del forno. Si tratta di una configurazione altamente flessibile che consente di eseguire ricette di trattamento termico complesse con una sequenza multipla di fasi di riscaldamento e raffreddamento e di controllare con precisione i gradienti di temperatura in ogni fase.

Il forno a vuoto a doppia camera TAV DC4 è invece dotato di una camera fredda, separata dalla camera termica, dedicata alle fasi di raffreddamento. Nonostante la maggiore complessità di questo tipo di forno a vuoto, la configurazione a doppia camera consente di ottenere diversi vantaggi.

 

Configurazione del forno a vuoto a doppia camera TAV DC4

 

In primo luogo, la camera calda isolata in grafite non è mai esposta all'aria durante le operazioni di carico e scarico del forno; per questo motivo, la camera calda può essere preriscaldata alla temperatura di trattamento (o a una temperatura inferiore, per controllare il gradiente di riscaldamento).

Nei forni a vuoto a camera singola, invece, la camera termica deve essere sempre caricata e scaricata a temperatura ambiente per evitare danni dovuti all'esposizione della grafite all'ossigeno. 

Ciò si tradurrà in cicli di riscaldo più rapidi e in un minor consumo di energia nel forno a doppia camera, in quanto viene risparmiata una notevole quantità di energia, necessaria per riscaldare la camera termica del forno. Questo vantaggio sarà ovviamente tanto più rilevante in termini di risparmio energetico quanto più breve sarà l'intervallo tra trattamenti termici successivi.

Inoltre, poiché la fase di tempra viene eseguita in una camera separata, nei forni a vuoto a doppia camera è possibile migliorare l'isolamento della camera termica aumentando lo spessore del pannello di grafite senza compromettere le prestazioni di raffreddamento. Ciò si traduce in una dissipazione di calore significativamente inferiore, tanto che a 1100°C la potenza dissipata per unità di superficie (kW/m2) si riduce del 25% rispetto a un equivalente forno a vuoto a camera singola.

 

Vista della camera fredda del forno a vuoto a doppia camera TAV DC4

 

Inoltre, temprare la carica in una camera fredda dedicata consente di ottenere coefficienti di trasferimento termico e velocità di raffreddamento più elevati rispetto a un forno a vuoto a camera singola; in primo luogo, perché la camera fredda è dedicata esclusivamente alla fase di tempra e può essere progettata per ottimizzare il flusso del gas di raffreddamento, senza la necessità di ospitare tutti i componenti relativi al riscaldo. A parità di condizioni, il coefficiente di trasferimento termico ottenibile nel TAV DC4 può essere superiore anche del 50% rispetto a un forno a vuoto a camera singola. In secondo luogo, poiché la camera fredda rimane a temperatura ambiente durante l'intero processo, solo la carica ed i cestelli devono essere raffreddati; di conseguenza, la quantità di calore che deve essere dissipata è notevolmente inferiore rispetto alla controparte a camera singola.

 

Simulazione CFD che mostra lo studio sulla velocità del gas di raffreddamento in una sezione della camera fredda del forno a vuoto doppia camera TAV DC4

 

Per i trattamenti termici che richiedono elevate velocità di raffreddamento, è quindi possibile lavorare con cariche significativamente più elevate sul forno a doppia camera rispetto al modello a camera singola; tradotto in numeri, il modello a doppia camera può effettivamente temprare il doppio della carica tipicamente processabile in un forno a camera singola, a seconda della lega, della configurazione della carica e del processo. Il risparmio, in termini di consumo energetico, per unità di carica (kWh/kg) ottenibile con il forno a doppia camera per tali processi è notevole e può raggiungere il 50% rispetto al forno a camera singola.

In definitiva, l'obiettivo dell'intervento è stato quello di evidenziare come l'efficienza energetica dei forni a vuoto dipenda fortemente dalla combinazione macchina-processo. Scegliere la giusta configurazione di forno a vuoto per un'applicazione specifica, invece di affidarsi esclusivamente a soluzioni standardizzate, può aumentare significativamente l'efficienza energetica del processo di trattamento termico e massimizzare il ritorno sull'investimento.

Per saperne di più su quale sia la soluzione più efficace per il tuo processo di trattamento termico in vuoto, contattaci a info@tav-vacuumfurnaces.com.

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