Introduction
Cet article propose une exploration approfondie des éléments de chauffage. En approfondissant les aspects suivants, Les lecteurs gagneront une compréhension approfondie:
Table des matières
Éléments chauffants
1: Démêler l'élément chauffant
Un élément de chauffage est un matériau ou un appareil remarquable qui transforme l'énergie électrique en chaleur via un processus connu sous le nom de chauffage Joule. Lorsqu'un courant électrique passe par un conducteur, Les électrons ou les porteurs de charge entrent en collision avec les atomes ou les ions du conducteur. Ces collisions au niveau atomique génèrent une friction, qui se manifeste comme la chaleur. Cette production de chaleur est quantifiée par la première loi de Joule (ou la loi Joule-Lenz), exprimé comme l'un ou ². Ici, la quantité de chaleur de chaleur sur le courant, tension, et la résistance du conducteur. La résistance joue un rôle central dans la conception d'éléments de chauffage.
Le chauffage de Joule se produit à des étendus variables dans tous les matériaux conducteurs, À l'exception des supraconducteurs. Les matériaux à faible résistance électrique ont tendance à produire moins de chaleur à mesure que les porteurs de charge s'écoulent plus librement à travers eux. En revanche, Ceux à haute résistance génèrent plus de chaleur. Les supraconducteurs permettent au courant électrique de passer sans aucune production de chaleur. Typiquement, La chaleur générée par les conducteurs est considérée comme une perte d'énergie, Comme le chauffage indésirable dans l'équipement électrique appelé Copper Loss, qui ne contribue pas à un travail utile.
Les éléments de chauffage électrique sont très efficaces pour convertir l'énergie électrique en chaleur, avec presque 100% de l'énergie fournie transformée en énergie thermique. Ils peuvent également émettre de l'énergie sous forme de lumière et de rayonnement. Cependant, Cette efficacité idéale concerne principalement les résistances. Des pertes mineures peuvent survenir en raison de la capacité et de l'inductance inhérentes du matériau, qui convertissent respectivement l'énergie électrique en champs électriques et magnétiques. De plus, L'efficacité globale du système peut être affectée par la dissipation thermique dans l'environnement externe du fluide de processus ou du radiateur lui-même. Ainsi, pour une utilisation optimale de la chaleur générée, Un système de chauffage bien isolé est essentiel.
2: Propriétés qui définissent les éléments de chauffage
Presque tous les conducteurs produisent de la chaleur lorsqu'un courant électrique les traverse, Pourtant, tous ne conviennent pas à une utilisation comme éléments de chauffage. Le matériau de chauffage idéal doit posséder un mélange spécifique d'électricité, mécanique, et propriétés chimiques.
Résistivité: Pour générer de la chaleur, L'élément chauffant nécessite une résistance électrique adéquate. Cependant, il ne devrait pas être si élevé qu'il devient un isolant. La résistance électrique est calculée comme la résistivité multipliée par la longueur du conducteur divisé par la section transversale du conducteur. Pour une coupe transversale donnée, Un matériau à haute résistivité est utilisé lorsqu'un conducteur plus court est souhaité.
Résistance à l'oxydation: La chaleur accélère généralement l'oxydation dans les métaux et la céramique. L'oxydation peut consommer l'élément chauffant, réduire sa capacité ou compromettre sa structure, limitant ainsi sa durée de vie. Pour les éléments de chauffage métalliques, L'alliage avec un ancien oxyde aide à former une couche passive pour résister à l'oxydation. Les éléments de chauffage en céramique ont généralement des échelles protectrices résistantes à l'oxydation comme Sio₂ ou Al₂o₃. Quelques types d'éléments de chauffage, comme le graphite, ne conviennent pas à une utilisation dans des environnements oxydants et sont généralement utilisés dans les fours à vide ou ceux avec des gaz d'atmosphère non oxydants comme H₂, N₂, Ardente, ou lui, où la chambre de chauffage est évacuée de l'air.
Coefficient de température de résistance: La résistivité du matériau change avec la température. Dans la plupart des conducteurs, À mesure que la température augmente, La résistance aussi. Ce phénomène a un effet plus prononcé sur certains matériaux. Un coefficient de résistance de température plus élevé est souvent utilisé dans les applications de détection de chaleur. Pour la génération de chaleur, Une valeur inférieure est généralement préférable. Cependant, Dans certains cas où le changement de résistance peut être prédit avec précision, Une forte augmentation de la résistance peut être avantageuse pour fournir plus de puissance. Pour tenir compte de l'évolution de la résistivité, Les systèmes de contrôle ou de rétroaction sont utilisés.
Propriétés mécaniques: Les éléments de chauffage rigides peuvent se déformer lorsqu'ils sont utilisés à des températures élevées. Alors que le matériau s'approche de sa phase de fusion ou de recristallisation, Il s'affaiblit et se déforme plus facilement par rapport à son état à température ambiante. Un bon élément chauffant peut maintenir sa forme même à des températures élevées. En plus, La ductilité est une propriété mécanique souhaitable, Surtout pour les éléments de chauffage métalliques. Il permet au matériau d'être entraîné dans des fils et formé en forme sans sacrifier sa résistance à la traction.
Point de fusion: Outre la température à laquelle l'oxydation augmente considérablement, Le point de fusion du matériau restreint également sa température de fonctionnement. La céramique a généralement des points de fusion plus élevés que les radiateurs métalliques.
Les principaux fabricants et entreprises d'éléments de chauffage comprennent Backer Hotwatt, Inc., Ulanet ™, Industries de la chaleur hiérarchique, Inc., Tutco-farnam, et élément national, Inc. (Vous pouvez souris sur les noms de l'entreprise pour voir leurs aperçus.)
3: Matériaux utilisés dans les éléments de chauffage
Les propriétés des matériaux discutées plus tôt ont réduit la sélection à plusieurs matériaux clés.
Chrome nickel (ni-cr) Alliage: Parmi les matériaux les plus couramment utilisés pour les éléments de chauffage, Les alliages de chrome nickel sont précieux pour leur ductilité, résistivité élevée, et résistance à l'oxydation même à des températures élevées. Généralement composé de 80% nickel et 20% chrome (bien que d'autres compositions puissent être disponibles auprès de différents fabricants), Ces alliages sont souvent formés en fils pour une utilisation comme éléments de chauffage, comme dans les coupeurs de mousse chauds. Ils peuvent atteindre environ des températures de chauffage d'environ 1,100 à 1 200 ° C.
Chrome de fer (Fe-cr-al) Alliage: Souvent connu par la marque Kanthal, Les alliages ferritiques fer-chrome-aluminium se composent généralement 20 à 24% chrome, 4 à 6% aluminium, avec du fer invenant le reste. Ces alliages sont favorisés pour leur soupabilité et leur densité inférieure par rapport aux alliages de nickel-chrome. Ils peuvent atteindre des températures plus élevées, tendre 1,300 à 1 400 ° C. Bien qu'ils aient tendance à être moins chers en raison de la baisse de la volatilité des prix du fer par rapport au nickel, Ils ont réduit la résistance à des températures élevées par rapport aux alliages de nickel-chrome. Ils peuvent être améliorés par la métallurgie de la poudre, où le lingot en alliage est moulu en poudre, comprimé dans un dé, et fritté ou pressé à chaud dans une atmosphère contrôlée. Les dispersoïdes sont ajoutés pour améliorer les propriétés mécaniques, Augmentation de la force et de la ténacité à des températures plus élevées.
Dislicide au molybdène (Mosi₂): Un serpent réfractaire (un composite céramique-métallique), Le désilicide au molybdène est principalement utilisé comme matériau d'élément chauffant. Il est bien adapté pour les fours à haute température en raison de son point de fusion élevé et de son excellente résistance à la corrosion. Les éléments de chauffage Mosi₂ sont fabriqués par diverses méthodes à forte intensité d'énergie, y compris l'alliage mécanique, synthèse de combustion, synthèse de choc, et pressage isostatique chaud. Ils peuvent atteindre des températures jusqu'à 1 900 ° C. Cependant, Ils présentent des inconvénients tels qu'une faible ténacité à des températures ambiantes et une sensibilité au fluage à haute température. À température ambiante, Mosi₂ est fragile et nécessite une manipulation minutieuse. La ténacité s'améliore considérablement à sa température de transition ductile cassante d'environ 1 000 ° C, Mais un taux de fluage plus élevé peut provoquer une déformation à des températures élevées. La conception des éléments Mosi₂ le plus courante est le type d'épingle à cheveux à 2 tirs, qui est souvent suspendu au toit de la fournaise et positionné autour des murs de la fournaise. D'autres configurations sont disponibles et sont fréquemment combinées avec des formateurs d'isolation en céramique pour fournir à la fois un support mécanique et une isolation thermique dans un seul emballage.
Carbure de silicium (SiC): Les éléments de chauffage en carbure de silicium sont fabriqués à partir d'une céramique produite en recristallant ou en liaisons de réaction des grains de Sic à des températures supérieures à 2100 ° C. Ces éléments sont généralement poreux (8-25%) Permettre à l'atmosphère du four à interagir à travers le matériau. Au fil du temps, L'élément chauffant peut subir une oxydation progressive, qui augmente sa résistance électrique dans un processus appelé “vieillissement.” Pour maintenir une puissance cohérente, Une alimentation de tension variable est souvent utilisée pour augmenter progressivement la tension à mesure que l'élément vieillit. Ce processus de vieillissement limite finalement la durée de vie et les performances de l'élément chauffant. Le carbure de silicium est idéal pour les applications à haute température en raison de plusieurs propriétés clés. Il manque une phase liquide, ce qui signifie qu'il ne s'affaisse pas ou ne se déforme pas à cause du fluage à des températures élevées, et aucun support interne n'est nécessaire dans le four. SIC sublime directement à environ 2 700 ° C, Le rendre adapté à des conditions extrêmes. En plus, il est chimiquement inerte pour la plupart des fluides de traitement, a une rigidité élevée, et un faible coefficient d'expansion thermique. Les radiateurs en carbure de silicium peuvent atteindre des températures d'environ 1,600 à 1700 ° C.
Graphite: Graphite, un minéral avec une structure atomique hexagonale composée de carbone, est un excellent conducteur de chaleur et d'électricité. Il peut générer de la chaleur à des températures supérieures à 2 000 ° C. À des températures élevées, sa résistance électrique augmente considérablement. Il résiste également bien aux chocs thermiques et reste résilient sans devenir cassant pendant les cycles de chauffage et de refroidissement rapides. Cependant, Le graphite a un inconvénient notable: il a tendance à s'oxyder à environ 500 ° C, conduisant à une dégradation des matériaux avec une exposition prolongée. Par conséquent, Les éléments de chauffage du graphite sont principalement utilisés dans les fours à vide, où l'oxygène et d'autres gaz sont retirés de la chambre de chauffage pour éviter l'oxydation des métaux fondues et de l'élément chauffant lui-même.
Molybdène, Tungstène, et tantale: Les métaux réfractaires comme le tungstène et le molybdène présentent des propriétés similaires au graphite lorsqu'ils sont utilisés comme éléments de chauffage. Parmi ces métaux, Le tungstène peut fonctionner aux températures les plus élevées mais est également le plus cher. Molybdène, Bien que moins coûteux et plus couramment utilisé, est encore plus cher que le graphite. Comme le graphite, Ces métaux doivent être utilisés dans des conditions de vide car elles ont une forte affinité pour l'oxygène, hydrogène, et azote. Ils commencent à s'oxyder à des températures entre 300 à 500 ° C.
Coefficient thermique positif (PTC) Matériels: Les matériaux PTC typiques incluent le caoutchouc et la céramique. Le caoutchouc PTC est couramment fabriqué à partir de polydiméthylsiloxane (PDM) infusé de nanoparticules de carbone. Les radiateurs PTC se distinguent par leur capacité à réguler le flux de courant à travers une augmentation de la résistance électrique à mesure que la température augmente. Cette caractéristique les rend sûres et adaptées aux applications telles que les vêtements. Initialement, Le radiateur tire la pleine puissance et se réchauffe en raison de sa résistivité. À mesure que la température augmente, La résistance du matériau se développe, Agissant finalement comme isolant. Cette autorégulation se produit sans avoir besoin d'une boucle de rétroaction externe.
4: Types d'éléments de chauffage
Un système de chauffage englobe plus que l'élément chauffant. Il comprend également des terminaisons, conduit, isolation, emballage, gaine, et sceaux. Les radiateurs se présentent sous diverses formes et configurations pour répondre aux besoins d'application spécifiques.
Radiateurs de processus aérien: Comme son nom l'indique, Ces radiateurs sont utilisés pour chauffer l'air qui coule. Ils se composent d'un tube ou d'un tuyau chauffé, avec une extrémité pour introduire l'air froid et l'autre extrémité comme sortie de l'air chaud. Bobines d'éléments de chauffage, Isulé par la céramique et les joints non conducteurs, sont placés le long des murs du tuyau. Ils sont généralement utilisés dans un flux élevé, applications à basse pression telles que la chaleur rétrécite, plastifiant, activation ou durcissement adhésif, séchage, pâtisserie, etc..
Radiateurs à cartouche: Dans ce type, Le fil de résistance est enroulé autour d'un noyau en céramique, généralement fait d'oxyde de magnésium compacté. Des configurations rectangulaires sont également disponibles lorsque les bobines de fil de résistance passent trois à cinq fois sur la longueur de la cartouche. Le fil de résistance ou l'élément de chauffage est positionné près des parois du matériau de revêtement pour un transfert de chaleur maximal. La gaine est généralement faite de matériaux résistants à la corrosion comme l'acier inoxydable pour protéger les internes. Les fils sont généralement flexibles, avec les deux terminaisons situées à une extrémité de la cartouche. Les radiateurs de cartouche sont utilisés dans le chauffage de la matrice ou de la moisissure, chauffage fluide (thermoplongeurs), et chauffage de surface.
Radiateurs tubulaires: Les internes de radiateurs tubulaires sont similaires à ceux des radiateurs à cartouche. La principale différence est que les bornes de plomb sont aux extrémités opposées du tube. La construction tubulaire entière peut être pliée sous différentes formes pour s'adapter à la distribution de chaleur requise par l'espace ou la surface pour être chauffée. Ils peuvent également présenter des ailettes qui sont liées mécaniquement sur la surface de la gaine pour aider à un transfert de chaleur efficace. Les radiateurs tubulaires sont aussi polyvalents que les radiateurs de cartouche et sont utilisés dans des applications similaires.
Radiateurs de bande: Conçu pour enrouler autour des surfaces métalliques cylindriques ou des conteneurs tels que des tuyaux, barils, batterie, extrudeurs, etc., Les radiateurs de bande présentent des languettes de verrouillage boulonnées pour serrer en toute sécurité sur la surface du récipient. À l'intérieur du groupe, Le radiateur est un fil de résistance mince ou un ruban généralement isolé par une couche de mica. Le revêtement est en acier inoxydable ou en laiton. Un avantage des radiateurs de bande est qu'ils chauffent indirectement le liquide à l'intérieur du navire, Empêcher le radiateur d'être soumis à des attaques chimiques à partir du fluide de procédé et à empêcher également un éventuel allumage lorsqu'il est utilisé pour le service d'huile et de lubrifiant.
Radiateurs: Ces radiateurs sont plats et rectangulaires de forme et sont boulonnés sur la surface pour être chauffés. Leurs internes sont similaires aux radiateurs de bande, Mais le matériau isolant, Mis à part le mica, peut être une céramique telle que l'oxyde de magnésium et la fibre de verre. Ils sont généralement utilisés pour le chauffage en surface des matrices, moules, mari, chars, conduits, etc.. Ils peuvent également être utilisés pour le chauffage à l'air ou au fluide en ayant des surfaces à ailettes. Les radiateurs à bornes à ailettes sont visibles dans les fours et les radiateurs spatiaux.
Filores à papier gravé: Également connu sous le nom de radiateurs à couches minces, Les radiateurs à empatres gravés ont le matériau de chauffage résistif gravé et lié à un papier d'aluminium, généralement en aluminium. Si plus de flexibilité et de résistance à la déchirure est requise, Le substrat peut également être en caoutchouc synthétique résistant à la chaleur ou en polyuréthane thermoplastique (TPU). L'espacement serré des éléments chauffants, un avantage de la gravure photochimique, Permet une distribution de chaleur uniforme avec une plus grande densité de chaleur sous de petites formes. Leurs applications sont plus spécialisées par rapport aux radiateurs de fil conventionnelles et sont généralement observés dans les dispositifs médicaux, électronique et instrumentation, aérospatial, et vêtements. Un côté peut être doublé d'une couche adhésive pour un montage facile.
Radiateurs en céramique: Ces radiateurs utilisent des céramiques avec un point de fusion élevé, stabilité thermique élevée, résistance à haute température, Inerness chimique relatif élevé, et petite capacité de chaleur. Notez que ceux-ci sont différents de la céramique utilisée comme matériau isolant. En raison de leurs bonnes propriétés de conduite thermique, Ils sont utilisés pour mener et distribuer la chaleur de l'élément chauffant. Les radiateurs en céramique notables sont le nitrure de silicium et le nitrure d'aluminium. Ils sont couramment utilisés pour le chauffage rapide comme on le voit sur les bouchons et les allumeurs de lueur. Cependant, lorsqu'il est soumis à des cycles de chauffage et de refroidissement rapides rapides, Le matériau est sujet à la fissuration due à la fatigue causée par des contraintes thermiques. Un type spécial de radiateurs en céramique est une céramique PTC, qui peut autoréguler sa consommation d'énergie pour l'empêcher de devenir rouge chaud.
Fibres en céramique: Dans ce type de radiateur, La fibre de céramique est utilisée comme isolant pour concentrer la chaleur dans la surface pour être chauffée pour éviter les pertes du système. Un fil de résistance est enroulé d'un côté du coussin en fibre de céramique, et ce côté est lié à la surface pour être chauffé, qui peut atteindre jusqu'à 1 200 ° C.
5: Facteurs à considérer lors de la sélection d'un radiateur
Bien que les éléments de chauffage fonctionnent généralement sur le même principe, Leur performance et leur durée de vie sont influencées par plusieurs facteurs. Les spécifications clés pour les radiateurs incluent la puissance ou la puissance, température de fonctionnement maximale, type de fluide de processus, matériau de gaine, et alimentation (tension et fréquence). En plus, Des facteurs tels que le débit de fluide et le contrôle de la température doivent également être pris en compte pour optimiser les performances.
Densité de watt: La densité de watt est la chaleur livrée par un élément chauffant par unité de zone. La densité WATT appropriée doit être choisie pour une application spécifique afin d'utiliser pleinement la durée de vie du radiateur. Pour une puissance donnée, Les radiateurs de haute et de basse densité fourniront la même quantité de chaleur mais à des températures différentes. Les éléments de haute densité peuvent atteindre des températures beaucoup plus élevées, ce qui peut entraîner une brûlure ou une défaillance prématurée de l'élément. Lors de la sélection d'un élément chauffant, Il est essentiel de vérifier les densités WATT recommandées par le fabricant pour une application particulière.
Température: La température de fonctionnement cible affecte directement la densité WATT. Il doit y avoir un équilibre entre ces deux facteurs. Dans la conception d'un chauffage de processus, La température est généralement déterminée en premier car il s'agit d'un paramètre de processus requis par le système.
Alimentation électrique: L'élément chauffant doit pouvoir fonctionner avec l'alimentation disponible. Vérifiez la cote de tension, qui est généralement 120 V ou 240 V. Lors de la sélection d'une puissance cible, Vérifiez l'ampérage produit. Faites attention à ne pas dépasser le point de déclenchement du disjoncteur d'alimentation ou les notes des câbles d'alimentation.
Débit de fluide: Intuitivement, Les fluides stagnants sont plus faciles à chauffer avec une température contrôlée que les fluides qui coulent. L'air ou d'autres gaz n'absorbent généralement pas la chaleur rapidement en raison de leur faible densité. Pour aborder cela, Des radiateurs avec de grandes surfaces sont nécessaires. Surfaces à ailettes et bobines à fil longues (Éléments de chauffage à basse densité) sont des caractéristiques communes des radiateurs à air.
Emplacement du capteur de température: Les radiateurs conventionnels sont livrés avec un capteur de température et un contrôleur. Dans la plupart des applications, Le dispositif de détection mesure uniquement la température du fluide de processus. Cependant, Cela ne représente généralement pas la température réelle de l'élément de chauffage. Avant d'installer le radiateur et le dispositif de détection de température, Il est crucial pour vérifier si son emplacement est approprié pour l'unité de chauffage. Si le capteur est trop loin, La température réfléchie peut être beaucoup plus faible en raison de la dissipation de la chaleur et du faible taux de transfert de chaleur. Cela peut entraîner des températures très élevées qui peuvent brûler l'élément chauffant.
Corrosion: La corrosion peut provenir du fluide de processus ou de l'environnement externe. Le matériau de revêtement protège l'élément chauffant, conduit, et les isolateurs de l'attaque chimique. Ainsi, La gaine doit être capable de maintenir sa résistance à des températures élevées tout en étant résistant à la corrosion. Les matériaux de revêtement largement utilisés sont en acier inoxydable, laiton, cuivre, et d'autres alliages spéciaux tels que Monel et Incoloy. De plus, L'intégrité de la gaine et de l'étanchéité terminale doit être suffisante pour l'application. Pour les applications exigeantes, L'étanchéité hermétique est la meilleure option pour fournir une protection complète contre le fluide de processus.
Conclusion
Un élément de chauffage est un matériau ou un appareil qui convertit l'énergie électrique en chaleur ou en énergie thermique à travers le principe du chauffage de Joule. Les caractéristiques cruciales d'un élément chauffant comprennent une résistivité suffisante, résistance à l'oxydation élevée, Coefficient de résistance à basse température, durcissement élevé, et un point de fusion élevé. Les éléments de chauffage largement utilisés sont l'alliage de chrome nickel, alliage en aluminium de fer, Dislicide au molybdène, et en carbure de silicium, suivi du graphite et d'autres métaux réfractaires avec des taux d'oxydation généralement plus élevés. Outre l'élément chauffant, Un radiateur comprend des terminaisons, conduit, isolation, emballage, gaine, et sceaux. Ces radiateurs se présentent sous diverses formes et configurations pour s'adapter aux applications particulières. Les spécifications de commande de radiateur typiques impliquent la puissance ou la puissance, température de fonctionnement maximale, type de fluide de processus, matériau de gaine, et alimentation (tension et fréquence).
