Как выбрать муфельную лабораторную печь ?

Среди самого высокотемпературного оборудования, применяемого как в лабораториях, так и в промышленности, для занятия хобби, при испытаниях новых материалов, отдельное место занимают муфельные печи, которые можно выбрать для таких отраслей:

• электротехническая промышленность и приборостроение;
• производство строительных материалов;
• автомобильная промышленность;
• образовательные и медицинские учреждения;
• лесная и деревообрабатывающая промышленность;
• научно-исследовательские работы;
• ортопедическая стоматология;
• пищевая промышленность;
• аэрокосмическая и оборонная промышленность;
• производство посуды и керамики;
• текстильная промышленность;
• фармацевтическая промышленность;
• косметическая промышленность;
• химия и нефтехимия;
• сельское хозяйство и ветеринария.

Как видим сфера применения очень широкая и этому есть несколько объяснений - никакая другая лабораторная техника не может приблизиться к показателям печей.

▼ Это нагревательные приборы закрытого типа,  в отличие например от открытых лабораторных колбонагревателей, с широчайшим диапазоном температур, достигающим 1000°С, а при определенных технических решениях и выше 1300°С.

▼ В таких термонагревательных устройствах нет прямого контакта обрабатываемых материалов с нагревателями. Энергия передается через инфракрасное излучение.

Чтобы рассмотреть особенности лабораторных “экстра” печей, и понять, почему это оборудование именно так устроено, несколько слов о низкотемпературной технике, каждая из которых решает свой класс задач, и рассматриваемые приборы лишь частично “перекрывают” друг друга при некоторых операциях.

* Справочно:

1. Медицинские стерилизаторы, сухожаровые шкафы или паровые автоклавы разогреваются максимум до 300-350 °С.
   При таких температурах, достаточно проложить между рабочей камерой и корпусом слой материала с низкой теплопроводностью, чтобы обеспечить лабораторный персонал от ожогов, а электронику для управления и индикации – от выхода прибора из строя при перегреве.
   
   300°С более чем достаточно, чтобы продезинфицировать медицинские инструменты, лабораторную посуду и тем более, чтобы просушить после мытья. При меньшей температуре (некоторые микробы выдерживают даже кипячение), можно не достичь эффекта, большая просто не нужна – бесполезные затраты энергии.
2. Сушильные шкафы – классическое лабораторное оборудование для термогравиметрического анализа влажности, их тоже иногда называют печками, хотя более корректно - стационарные влагомеры, для зерна, комбикорма, пищевых материалов, семян и т.д. разогреваются внутри “всего лишь” до 160 °С. Больше и не надо, иначе исследуемые продукты обуглятся, еще до тех пор, пока из них будет извлечена влага.
   Одна из причин, почему перед определением влажности, производится размол лабораторной мельницей, это как раз уменьшение времени сушки - равномерно распределяется тепло по площади гомогенизированного образца, быстро производится обезвоживание.

 

Например, теоретически сушильный и стерилизационный шкафы могут осуществлять операции по сушке (не выше 100°С), а вот например противомикробную обработку, обеспечат только сухожары.

С другой стороны сушильные электрические шкафы, специально сконструированы на несколько ячеек, для помещения бюкс с образцами – их может быть больше десятка, а в стерилизаторах – максимум 2-3 полки.


 

Мы уже не говорим про лабораторные термостаты, для которых даже предел 100°С не достижим, и это им и не нужно. Задача термостата – сохранять свойства помещенных проб в неизменном виде, а это достичь возможно при низкой температуре.

 

Следовательно, муфельные лабораторные печи – лидеры по высокой температуре, и ни одну из перечисленных задач для указанных приборов, они не предназначены выполнять.



Их “стихия” в другом – термическая обработка :

• нагрев, спекание, в т.ч. эмали, прокалка;
• термообработка металлов (закалка, отжиг, отпуск, нормализация);
• плавка, включая ювелирные операции с золотом, серебром;
• обжиг керамических, стеклянных, глиняных изделий;
• сжигание для получения золы из органических материалов, при аналитических исследованиях для количественного анализа.

Как бы мы не стараться "приспособить" шкафы, термостаты или стерилизаторы для высокотемпературных лабораторных операций, ничего не выйдет, придется выбрать муфельную печь.

Именно специфическая конструкция футеровки - облицовки огнеупорными материалами и позволяет выдерживать экстремальные температуры, долговременное функционирование, поскольку в указанном интервале температур, без специальных технологических решений, могут просто расплавиться корпусные детали.

Поэтому как на этапе выбора муфельной печи, мы рассмотрим этот конструктивный элемент подробно, так и при обсуждении вопросов, связанных с разной "керамической начинкой" рабочих камер.

Как выбрать лабораторную муфельную печь ?

Производители лабораторного высокотемпературного оборудования предлагают широкий ассортимент печей, причем для сужения круга поиска, достаточно взглянуть на название.

Пример - SNOL 6,7/1300. Два важных параметра отсюда уже можно “считать” – это объем муфеля: 6,7 л, заметно, что он не очень велик и максимальную температуру – 1300 °С.

По большому счету, все остальные критерии относятся к второстепенным, хотя мы их рассмотрим.

Размеры муфеля

Давайте возьмем еще одну печь SNOL 3/1100 и узнаем, как сопоставимы внутренние объемы муфеля и наружных габаритов лабораторного прибора.

	Размеры, мм	Объем, см3
Печь	120*105*200	2250
Муфель	245*470*500	57575

Вывод - объем муфеля в 25 раз меньше объема всего прибора, что напрямую связано с необходимостью утолщенной теплозащиты, образно говоря, чтобы жар не вырвался наружу.

В рассмотренной печи SNOL 6,7/1300 предел выше, чем в SNOL 3/1100, но как правило уже по этому факту можно судить о конструктивных особенностях расположения нагревательных элементов – существенному критерию, чтобы выбрать муфельную печь для тех или иных потребностей.


В камерной лабораторной электропечи источником высокой температуры являются открытые термоволокна, встроенные и выступающие из стен камеры, что позволяет осуществлять высокотемпературную обработку до 1300°С.

Нагреватели представляют собой керамические трубки спирального типа.
 

Универсальная печь с литой камерой из термоволокна – наиболее распространенный вид термического лаб оборудования с пределом до 1100°С.

Материал муфеля – вакуумированное термоволокно, впрессованные закрытые нагреватели внутрь футеровки.

 

 

Отметим, что мы будем рассматривать устройства с питанием от электричества, хотя существуют индукционные и газовые лабораторные печи.

 

* Справочно : с точки зрения потерь тепла, похожая картина наблюдается в водяных лабораторных банях, дистилляторах, когда в котле или рубашке на стенках собирается накипь, с низкой теплопроводностью и нагреватели даже на максимальном режиме не способны подогреть воду до заданной температуры.

Только в банях и аквадистилляторах, проблему можно решить чисткой, регулярным сервисным обслуживанием и в крайнем случае ремонтом соответствующего лабораторного оборудования, а вот с муфелем сделать ничего нельзя, разве что использовать керамику с более высоким коэффициентом теплопроводности.

На самом деле, печи можно разделить на большее количество групп:

Низкотемпературные	100°С~500°С
Среднетемпературные	400°С~900°С
Высокотемпературные	900°С~1400°С
Сверх высокотемпературные	1400°С~1650°С

 

 

Воздушные	Большинство лабораторий оснащаются такими печами
Газовая специальная атмосфера	Используется аргон, водород, азот, двуокись углерода и др., чтобы избежать окисления, придать особые свойства материалу
Вакуумные	В камере создается разряжение. Также в лабораториях применяются сушильные вакуумные шкафы для воздушно-теплового анализа

 

 

• На шарнирах с открытием в сторону. Наиболее распространенный вариант, такой же как в термостатах, сухожаровых стерилизаторах, мебели: тумбах, лабораторных шкафах для одежды, химических реактивов, столов-моек.
• Плоскопараллельное движение. Дверца выдвигается вверх вверх.
• Открытие вниз. Как в некоторых посудомоечных машинах.
• Отъезжающие двери на держателях.

 

 

Несмотря на рекордные температуры, для их достижения достаточно подключения к сети 220 В, поскольку мощность не превышает 4,5 Квт - сказывается малый объем муфеля и качественная термоизоляция.
В отличие например от лабораторных дистилляторов, рассчитанных на средние и большие объемы 10-25 л/ч, требующих подведения трехфазной электрической сети 380 В.

Другой вопрос - нужно учитывать, что кроме печей, в энергии нуждается и другая лабораторная техника, например мощная мельница для размола зерна и комбикорма, потребляющая до 1 КВт.

Поэтому, чтобы не сработала защита по току и не обесточилась вся лаборатория, вся цепь от электрощитка до розетки, включая, подводящие электрические кабели, должна выдерживать суммарную мощность.

Либо не включать все лабораторное мощное оборудование одновременно, что скажется на производительности, эта цена того, что на этапе оснащения приборами, не были проведены расчеты.

 

Зависит от объема рабочей камеры, заданной температуры и может меняться в широких пределах от 30 до 150 минут.
 

Печки устанавливаются на лабораторном столе, могут подключаться к компьютерной технике, снабжаться самописцем данных, иметь защиту от перегрева и издавать звуковой сигнал после окончания программы.

☑ Для управления температурой предназначена термопара, передающая сигнал на цифровой регулятор, который может быть обычным - электронным или программируемым.

☑ Корпус изготавливается из стали с порошковой окраской или нержавейки.

☑ Наружные габаритные размеры и масса играют роль как при транспортировке, так и перемещении выбранной муфельной печи внутри кабинета и интеграции с другой мебелью для лаборатории: стеллажами, тумбами.

☑ На равномерность распределения температуры в камере влияет количество нагреваемых сторон муфеля. Может быть 2-х или 4х сторонний нагрев, в зависимости от размещения ТЭНов.

 

Колебания температуры с +20 (текущая в лаборатории) до +1000 и более °С вызывают со временем микротрещины, т.е. футеровка становится менее термостойкой. Это так называемые тепловые удары.

Также могут образовываться места концентрации напряжения, там где керамика станет разрушаться, после ударов, толчков, поэтому лабораторные печи должны быть устойчиво расположены на столе.

В быту мы тоже можем встречать электроплитки со вложенными в канавки нагревательными спиралями, и керамика со временем покрывается трещинами, особенно при неаккуратном обращении или просто "когда время пришло".
 

Продлить срок службы муфеля может постепенный нагрев и охлаждение, но тогда возникают 2 другие проблемы:

1. Увеличенный расход электроэнергии на медленный разогрев -  муфель обладает немалой массой и инерционностью.
2. Некоторые операции, связанные с термообработкой металлов, требуют быстрого набора температуры, и постепенное нагревание здесь в принципе не даст результата. Даже если разогреть печь до высокой температуры, а потом открыть дверь и быстро поместить металлическую заготовку, все равно будет падение температуры. Регламентируется даже такой показатель как время восстановления, например для сушильного термогравиметрического шкафа, то есть время, когда значение температуры вернется к значению, до момента открытия дверцы.

 

Поэтому решить 2 задачи в одной – как увеличить максимальную температуру, так и повысить скорость нагрева, возможно если выбрать муфельную электрическую печь с нагревателями в керамических трубках, выступающими за поверхность камеры.
 

Кстати, при изготовлении печи своими руками, в качестве огнеупора используются кирпичи - для лабораторий такой вариант не подходит: размеры велики – не поместится на столе и вес, не рассчитанный на столешницу мебели.

 

 

Наиболее распространенная в лабораторной практике, стеклянная тара находится в “низкотемпературной” зоне, и не подойдет для жаркого муфеля.

Для этого разработаны изделия из фарфора, это не домашний изысканный аксессуар, а "строгая" лабораторная посуда с более высокой ценой и особенностями :

1. Повышенная термостойкость.
2. Более тяжелая и прочная.
3. Не прозрачная – не позволяет наблюдать за содержимым. Хотя в дверце может быть предусмотрено небольшое окошко для этих целей.
4. Ограниченная номенклатура.

К фарфоровой посуде для лабораторий относятся:

• тигли фарфоровые (высокие, средние и низкие), возможно с крышкой: по форме это нечто среднее между лабораторным стаканом и мензуркой;
• кастрюля фарфоровая;
• чашки фарфоровые для выпаривания. Эта тара хороша тем, что может подогреваться на пламени лабораторной спиртовки или горелки Бунзена и использоваться, например для измерения концентрации растворенных веществ путем взвешивания весами и выпаривания – в чаше остается сухой остаток;
• шпатель ложка. Пригодится при перемешивании, смешивании и очистки стенок от вязких остатков реакций.
• фарфоровые стаканы.

Как видно, здесь мы не встретим привычных колб, пробирок, воронок или пипеток - они больше подойдут для оснащения микробиологических, химических или медицинских лабораторий.

Есть еще одна разновидность посуды из термостойкого фарфора: ступка керамическая с пестиком, воронка Бюхнера, но у них иные сферы применения: ручное измельчение и вакуумная фильтрация соответственно.

Мытье фарфоровой посуды мало чем отличается от стеклянной – необходима лабораторная мойка. Другой вопрос, что при высокой температуре могут образовываться такие загрязнения: сложно удаляемые накипь, смолы, что проще тару поменять, тем более что она фактически относится к расходным материалам.

 

Если до начала разогрева посуду еще можно поместить в печь, то извлечь ее при температуре, когда все внутри разогреется до красна, “голыми руками”, не представляется возможным.

Вот тогда понадобятся особые лабораторные принадлежности: щипцы для тиглей, с выемками на рабочих частях, чтобы захватить горячую посуду и термостойкие рукавицы.



Для размещения исследуемых материалов прилагаются керамические подовые плиты.

При обработке при высоких температурах, могут выделяться опасные для здоровья персонала газы, пары, продукты возгонки, которые должны отводиться за пределы лаборатории через вентиляционные отверстия – обычно в задней стенке камеры.
В частности при обжиге глины выгорают органические компоненты.

Еще лучше как для отведения летучих компонентов, так и для любых химических опытов, связанных с газообразованием, выбрать специальный вытяжной шкаф для муфельной печи - разновидность мебели для лабораторий с вентиляторами и гофрированными вытяжными трубами.