Introdução
Este artigo oferece uma exploração aprofundada dos elementos de aquecimento. Ao aprofundar os seguintes aspectos, os leitores obterão uma compreensão completa:
Índice
Elementos de aquecimento
1: Desvendando o elemento de aquecimento
Um elemento de aquecimento é um material ou dispositivo notável que transforma energia elétrica em calor através de um processo conhecido como aquecimento Joule.. Quando uma corrente elétrica percorre um condutor, os elétrons ou portadores de carga colidem com os átomos ou íons do condutor. Essas colisões em nível atômico geram atrito, que se manifesta como calor. Esta produção de calor é quantificada pela primeira lei de Joule (ou lei de Joule-Lenz), expresso como ou ². Aqui, a quantidade de calor gerada depende da corrente, tensão, e a resistência do condutor. A resistência desempenha um papel fundamental no projeto de elementos de aquecimento.
O aquecimento Joule ocorre em graus variados em todos os materiais condutores, com exceção dos supercondutores. Materiais com baixa resistência elétrica tendem a produzir menos calor à medida que os portadores de carga fluem mais livremente através deles.. Em contraste, aqueles com alta resistência geram mais calor. Os supercondutores permitem que a corrente elétrica passe sem qualquer produção de calor. Tipicamente, o calor gerado pelos condutores é considerado uma perda de energia, como o aquecimento indesejado em equipamentos elétricos conhecido como perda de cobre, o que não contribui para um trabalho útil.
Os elementos de aquecimento elétrico são altamente eficientes na conversão de energia elétrica em calor, com quase 100% da energia fornecida sendo transformada em energia térmica. Eles também podem emitir energia na forma de luz e radiação. No entanto, esta eficiência ideal refere-se principalmente a resistores. Pequenas perdas podem ocorrer devido à capacitância e indutância inerentes do material, que convertem energia elétrica em campos elétricos e magnéticos, respectivamente. Além disso, a eficiência geral do sistema pode ser afetada pela dissipação de calor no ambiente externo a partir do fluido do processo ou do próprio aquecedor. Por isso, para utilização ideal do calor gerado, um sistema de aquecimento bem isolado é essencial.
2: Propriedades que definem os elementos de aquecimento
Quase todos os condutores produzem calor quando uma corrente elétrica passa por eles, mas nem todos são adequados para uso como elementos de aquecimento. O material ideal do elemento de aquecimento deve possuir uma mistura específica de componentes elétricos, mecânico, e propriedades químicas.
Resistividade: Para gerar calor, o elemento de aquecimento requer resistência elétrica adequada. No entanto, não deveria ser tão alto a ponto de se tornar um isolante. A resistência elétrica é calculada como a resistividade multiplicada pelo comprimento do condutor dividido pela seção transversal do condutor. Para uma determinada seção transversal, um material com alta resistividade é usado quando um condutor mais curto é desejado.
Resistência à oxidação: O calor geralmente acelera a oxidação em metais e cerâmicas. A oxidação pode consumir o elemento de aquecimento, reduzindo sua capacidade ou comprometendo sua estrutura, limitando assim a sua vida útil. Para elementos de aquecimento metálicos, a liga com um formador de óxido ajuda a formar uma camada passiva para resistir à oxidação. Os elementos de aquecimento cerâmicos geralmente possuem incrustações protetoras resistentes à oxidação, como SiO₂ ou Al₂O₃. Alguns tipos de elementos de aquecimento, como grafite, não são adequados para uso em ambientes oxidantes e são normalmente usados em fornos a vácuo ou aqueles com gases atmosféricos não oxidantes como H₂, N₂, Ar, ou ele, onde a câmara de aquecimento é evacuada de ar.
Coeficiente de resistência de temperatura: A resistividade do material muda com a temperatura. Na maioria dos condutores, à medida que a temperatura sobe, a resistência também. Este fenômeno tem um efeito mais pronunciado em certos materiais. Um coeficiente de resistência de temperatura mais alto é frequentemente utilizado em aplicações de detecção de calor. Para geração de calor, um valor mais baixo é geralmente preferível. No entanto, em alguns casos onde a mudança na resistência pode ser prevista com precisão, um aumento acentuado na resistência pode ser vantajoso para fornecer mais potência. Para explicar a mudança de resistividade, sistemas de controle ou feedback são empregados.
Propriedades Mecânicas: Elementos de aquecimento rígidos podem deformar-se quando usados em altas temperaturas. À medida que o material se aproxima da fase fundida ou de recristalização, enfraquece e deforma-se mais facilmente em comparação com o seu estado à temperatura ambiente. Um bom elemento de aquecimento pode manter a sua forma mesmo em temperaturas elevadas. Adicionalmente, ductilidade é uma propriedade mecânica desejável, especialmente para elementos de aquecimento metálicos. Ele permite que o material seja transformado em fios e moldado sem sacrificar sua resistência à tração.
Ponto de fusão: Além da temperatura na qual a oxidação aumenta significativamente, o ponto de fusão do material também restringe sua temperatura operacional. A cerâmica geralmente tem pontos de fusão mais altos que os aquecedores metálicos.
Os principais fabricantes e empresas de elementos de aquecimento incluem Backer Hotwatt, Inc., Ulanet®, Indústrias de alto calor, Inc., Tutco-Farnam, e Elemento Nacional, Inc.. (Você pode passar o mouse sobre os nomes das empresas para ver suas visualizações.)
3: Materiais Utilizados em Elementos de Aquecimento
As propriedades do material discutidas anteriormente restringem a seleção a vários materiais principais.
Níquel-Cromo (Ni-Cr) Liga: Entre os materiais mais utilizados para elementos de aquecimento, ligas de níquel-cromo são valorizadas por sua ductilidade, alta resistividade, e resistência à oxidação mesmo em temperaturas elevadas. Normalmente composto por 80% níquel e 20% cromo (embora outras composições possam estar disponíveis de diferentes fabricantes), essas ligas são frequentemente transformadas em fios para uso como elementos de aquecimento, como em cortadores de espuma de fio quente. Eles podem atingir temperaturas máximas de aquecimento de aproximadamente 1,100 a 1.200°C.
Ferro-Cromo-Alumínio (Fe-Cr-Al) Liga: Frequentemente conhecido pela marca registrada Kanthal, ligas ferríticas de ferro-cromo-alumínio geralmente consistem em 20 para 24% cromo, 4 para 6% alumínio, com ferro constituindo o restante. Estas ligas são favorecidas pela sua flexibilidade e menor densidade em comparação com as ligas de níquel-cromo. Eles podem atingir temperaturas mais altas, alcançando ao redor 1,300 a 1.400°C. Embora tendam a ser mais baratos devido à menor volatilidade do preço do ferro em comparação com o níquel, eles têm resistência reduzida em temperaturas elevadas em comparação com ligas de níquel-cromo. Eles podem ser melhorados através da metalurgia do pó, onde o lingote de liga é transformado em pó, comprimido em um dado, e sinterizado ou prensado a quente em atmosfera controlada. Dispersóides são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas, aumentando a resistência e a tenacidade em temperaturas mais altas.
Dissilicida de molibdênio (MoSi₂): Um cermet refratário (um compósito cerâmico-metálico), dissilicieto de molibdênio é predominantemente usado como material de elemento de aquecimento. É adequado para fornos de alta temperatura devido ao seu alto ponto de fusão e excelente resistência à corrosão.. Os elementos de aquecimento MoSi₂ são fabricados através de vários métodos que consomem muita energia, incluindo liga mecânica, síntese de combustão, síntese de choque, e prensagem isostática a quente. Eles podem atingir temperaturas de até 1.900°C. No entanto, eles têm desvantagens como baixa tenacidade em temperaturas ambientes e suscetibilidade à fluência em altas temperaturas. À temperatura ambiente, MoSi₂ é frágil e requer manuseio cuidadoso. A tenacidade melhora significativamente em sua temperatura de transição frágil-dúctil de cerca de 1.000°C, mas uma taxa de fluência mais alta pode causar deformação em altas temperaturas. O design de elemento MoSi₂ mais comum é o tipo gancho de 2 hastes, que geralmente é suspenso no teto do forno e posicionado ao redor das paredes do forno. Outras configurações estão disponíveis e são frequentemente combinadas com formadores de isolamento cerâmico para fornecer suporte mecânico e isolamento térmico em um único pacote.
Carboneto de Silício (SiC): Os elementos de aquecimento de carboneto de silício são feitos de uma cerâmica produzida por recristalização ou ligação por reação de grãos de SiC em temperaturas acima de 2.100°C.. Esses elementos são tipicamente porosos (8-25%) permitindo que a atmosfera do forno interaja através do material. Ao longo do tempo, o elemento de aquecimento pode sofrer oxidação gradual, que aumenta sua resistência elétrica em um processo conhecido como “envelhecimento.” Para manter uma saída de energia consistente, uma fonte de tensão variável é frequentemente usada para aumentar gradativamente a tensão à medida que o elemento envelhece. Este processo de envelhecimento eventualmente limita a vida útil e o desempenho do elemento de aquecimento. O carboneto de silício é ideal para aplicações em altas temperaturas devido a diversas propriedades importantes. Falta uma fase líquida, o que significa que não cede ou deforma devido à fluência em altas temperaturas, e nenhum suporte interno é necessário dentro do forno. O SiC sublima diretamente a cerca de 2.700°C, tornando-o adequado para condições extremas. Adicionalmente, é quimicamente inerte para a maioria dos fluidos de processo, tem alta rigidez, e um baixo coeficiente de expansão térmica. Aquecedores de carboneto de silício podem atingir temperaturas de aproximadamente 1,600 a 1.700°C.
Grafite: Grafite, um mineral com estrutura atômica hexagonal composta de carbono, é um excelente condutor de calor e eletricidade. Pode gerar calor a temperaturas superiores a 2.000°C. Em altas temperaturas, sua resistência elétrica aumenta significativamente. Também resiste bem a choques térmicos e permanece resiliente sem se tornar quebradiço durante ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento. No entanto, grafite tem uma desvantagem notável: tende a oxidar em torno de 500°C, levando à degradação do material com exposição prolongada. Consequentemente, elementos de aquecimento de grafite são predominantemente usados em fornos a vácuo, onde o oxigênio e outros gases são removidos da câmara de aquecimento para evitar a oxidação dos metais fundidos e do próprio elemento de aquecimento.
Molibdênio, Tungstênio, e tântalo: Metais refratários como tungstênio e molibdênio exibem propriedades semelhantes às do grafite quando usados como elementos de aquecimento. Entre esses metais, o tungstênio pode operar nas temperaturas mais altas, mas também é o mais caro. Molibdênio, embora menos dispendioso e mais comumente usado, ainda é mais caro que o grafite. Como grafite, esses metais devem ser usados em condições de vácuo porque têm uma forte afinidade pelo oxigênio, hidrogênio, e nitrogênio. Eles começam a oxidar em temperaturas entre 300 a 500°C.
Coeficiente Térmico Positivo (PTC) Materiais: Os materiais PTC típicos incluem borracha e cerâmica. A borracha PTC é comumente feita de polidimetilsiloxano (PDMS) infundido com nanopartículas de carbono. Os aquecedores PTC distinguem-se pela sua capacidade de regular o fluxo de corrente através de um aumento na resistência eléctrica à medida que a temperatura aumenta.. Esta característica os torna seguros e adequados para aplicações como roupas. Inicialmente, o aquecedor consome energia total e aquece devido à sua resistividade. À medida que a temperatura aumenta, a resistência do material aumenta, eventualmente agindo como um isolante. Esta autorregulação ocorre sem a necessidade de um ciclo de feedback externo.
4: Tipos de elementos de aquecimento
Um sistema de aquecimento abrange mais do que apenas o elemento de aquecimento. Também inclui rescisões, pistas, isolamento, embalagem, bainha, e selos. Os aquecedores vêm em diversas formas e configurações para atender às necessidades específicas da aplicação.
Aquecedores de processo de ar: Como o nome indica, esses aquecedores são usados para aquecer o ar que flui. Eles consistem em um tubo ou cano aquecido, com uma extremidade para introdução de ar frio e a outra extremidade como saída de ar quente. Bobinas de elementos de aquecimento, isolado por cerâmica e juntas não condutoras, são colocados ao longo das paredes do tubo. Eles são normalmente usados em alto fluxo, aplicações de baixa pressão, como encolhimento térmico, laminação, ativação ou cura adesiva, secagem, cozimento, etc..
Aquecedores de cartucho: Neste tipo, o fio de resistência é enrolado em torno de um núcleo cerâmico, geralmente feito de óxido de magnésio compactado. Configurações retangulares também estão disponíveis onde as bobinas do fio de resistência passam de três a cinco vezes ao longo do comprimento do cartucho. O fio de resistência ou elemento de aquecimento é posicionado próximo às paredes do material de revestimento para máxima transferência de calor. A bainha geralmente é feita de materiais resistentes à corrosão, como aço inoxidável, para proteger o interior. Os leads geralmente são flexíveis, com ambas as terminações localizadas em uma extremidade do cartucho. Aquecedores de cartucho são usados no aquecimento de matrizes ou moldes, aquecimento de fluidos (aquecedores de imersão), e aquecimento de superfície.
Aquecedores Tubulares: Os componentes internos dos aquecedores tubulares são semelhantes aos dos aquecedores de cartucho. A principal diferença é que os terminais dos condutores estão nas extremidades opostas do tubo. Toda a construção tubular pode ser dobrada em diferentes formas para se adequar à distribuição de calor exigida pelo espaço ou superfície a ser aquecida. Eles também podem apresentar aletas que são ligadas mecanicamente à superfície da bainha para auxiliar na transferência eficaz de calor.. Os aquecedores tubulares são tão versáteis quanto os aquecedores de cartucho e são usados em aplicações semelhantes.
Aquecedores de banda: Projetado para envolver superfícies metálicas cilíndricas ou recipientes, como tubos, barris, bateria, extrusoras, etc., os aquecedores de banda apresentam abas de travamento aparafusadas para fixar com segurança na superfície do recipiente. Dentro da banda, o aquecedor é um fio ou fita de resistência fina, normalmente isolado por uma camada de mica. O revestimento é feito de aço inoxidável ou latão. Uma vantagem dos aquecedores de banda é que eles aquecem indiretamente o fluido dentro do recipiente, evitando que o aquecedor seja submetido a ataques químicos do fluido do processo e também evitando possível ignição quando usado para serviço de óleo e lubrificante.
Aquecedores de tira: Esses aquecedores são planos e retangulares e são aparafusados na superfície a ser aquecida. Seus internos são semelhantes aos aquecedores de banda, mas o material isolante, além da mica, podem ser cerâmicas como óxido de magnésio e fibra de vidro. Eles são normalmente usados para aquecimento de superfície de matrizes, moldes, prato, tanques, dutos, etc.. Eles também podem ser usados para aquecimento de ar ou fluidos por terem superfícies aletadas. Aquecedores de tiras aletadas são vistos em fornos e aquecedores de ambiente.
Aquecedores de folha gravada: Também conhecidos como aquecedores de filme fino, aquecedores de folha gravada têm o material de aquecimento resistivo gravado e colado em uma folha, geralmente feito de alumínio. Se for necessária mais flexibilidade e resistência ao rasgo, o substrato também pode ser feito de borracha sintética resistente ao calor ou poliuretano termoplástico (TPU). O espaçamento apertado dos elementos de aquecimento, uma vantagem da gravação fotoquímica, permite distribuição uniforme de calor com maior densidade de calor em formas pequenas. Suas aplicações são mais especializadas em comparação aos aquecedores de fio convencionais e geralmente são vistas em dispositivos médicos, eletrônica e instrumentação, aeroespacial, e roupas. Um lado pode ser revestido com uma camada adesiva para fácil montagem.
Aquecedores Cerâmicos: Esses aquecedores usam cerâmica com alto ponto de fusão, alta estabilidade térmica, resistência a altas temperaturas, alta inércia química relativa, e pequena capacidade de calor. Observe que estes são diferentes da cerâmica usada como material isolante. Devido às suas boas propriedades de condução térmica, eles são usados para conduzir e distribuir o calor do elemento de aquecimento. Aquecedores cerâmicos notáveis são nitreto de silício e nitreto de alumínio. Eles são comumente usados para aquecimento rápido, como visto em velas incandescentes e ignitores.. No entanto, quando submetido a ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento de alta temperatura, o material está sujeito a rachaduras devido à fadiga causada por tensões térmicas. Um tipo especial de aquecedores cerâmicos é um aquecedor cerâmico PTC, que pode autorregular seu consumo de energia para evitar que fique vermelho quente.
Aquecedores de fibra cerâmica: Neste tipo de aquecedor, a fibra cerâmica é usada como isolante para concentrar o calor na superfície a ser aquecida para evitar perdas no sistema. Um fio de resistência é enrolado em um lado da almofada de fibra cerâmica, e este lado é colado na superfície a ser aquecida, que pode atingir até 1.200°C.
5: Fatores a serem considerados ao selecionar um aquecedor
Embora os elementos de aquecimento geralmente operem com o mesmo princípio, seu desempenho e vida útil são influenciados por vários fatores. As principais especificações para aquecedores incluem potência ou potência, temperatura máxima de operação, tipo de fluido de processo, material da bainha, e fonte de alimentação (tensão e frequência). Adicionalmente, fatores como fluxo de fluido e controle de temperatura também devem ser considerados para otimizar o desempenho.
Densidade de Watts: A densidade de watts é o calor fornecido por um elemento de aquecimento por unidade de área. A densidade de watts apropriada deve ser escolhida para uma aplicação específica para utilizar totalmente a vida útil do aquecedor. Para uma determinada potência, ambos os aquecedores de alta e baixa densidade fornecerão a mesma quantidade de calor, mas em temperaturas diferentes. Elementos de alta densidade podem atingir temperaturas muito mais altas, o que pode levar à queima prematura ou falha do elemento. Ao selecionar um elemento de aquecimento, é essencial verificar as densidades de watts recomendadas pelo fabricante para uma aplicação específica.
Temperatura: A temperatura operacional alvo afeta diretamente a densidade de watts. Deve haver um equilíbrio entre esses dois fatores. Ao projetar um aquecedor de processo, a temperatura geralmente é determinada primeiro, pois é um parâmetro de processo exigido pelo sistema.
Fonte de energia: O elemento de aquecimento deve ser capaz de operar com a fonte de alimentação disponível. Verifique a classificação de tensão, que normalmente é 120V ou 240V. Ao selecionar uma potência alvo, verifique a amperagem produzida. Tenha cuidado para não exceder o ponto de disparo do disjuntor da fonte de alimentação ou as classificações dos cabos de alimentação.
Fluxo de fluido: Intuitivamente, fluidos estagnados são mais fáceis de aquecer com uma temperatura controlada do que fluidos fluindo. O ar ou outros gases geralmente não absorvem calor rapidamente devido à sua baixa densidade. Para resolver isso, são necessários aquecedores com grandes áreas de superfície. Superfícies aletadas e bobinas de fios longos (elementos de aquecimento de baixa densidade) são características comuns de aquecedores de ar.
Localização do sensor de temperatura: Os aquecedores convencionais vêm com um sensor de temperatura e um controlador. Na maioria das aplicações, o dispositivo sensor mede apenas a temperatura do fluido do processo. No entanto, isso geralmente não representa a temperatura real do elemento de aquecimento. Antes de instalar o aquecedor e o dispositivo sensor de temperatura, é fundamental verificar se sua localização é adequada para a unidade aquecedora. Se o sensor estiver muito longe, a temperatura refletida pode ser muito mais baixa devido à dissipação de calor e à baixa taxa de transferência de calor. Isto pode levar a temperaturas muito altas que podem queimar o elemento de aquecimento.
Corrosão: A corrosão pode originar-se do fluido do processo ou do ambiente externo. O material de revestimento protege o elemento de aquecimento, pistas, e isolantes contra ataque químico. Por isso, a bainha deve ser capaz de manter sua resistência em altas temperaturas e ao mesmo tempo ser resistente à corrosão. Os materiais de revestimento amplamente utilizados são o aço inoxidável, latão, cobre, e outras ligas especiais como Monel e Incoloy. Além disso, a integridade da bainha e da vedação do terminal deve ser suficiente para a aplicação. Para aplicações exigentes, a vedação hermética é a melhor opção para fornecer proteção completa contra o fluido do processo.
Conclusão
Um elemento de aquecimento é um material ou dispositivo que converte energia elétrica em calor ou energia térmica através do princípio do aquecimento Joule.. As características cruciais de um elemento de aquecimento incluem resistividade suficiente, alta resistência à oxidação, coeficiente de resistência a baixa temperatura, alta tenacidade, e alto ponto de fusão. Os elementos de aquecimento amplamente utilizados são ligas de níquel-cromo, liga de ferro-cromo-alumínio, dissilicieto de molibdênio, e carboneto de silício, seguido por grafite e outros metais refratários com taxas de oxidação geralmente mais altas. Além do elemento de aquecimento, um aquecedor compreende terminações, pistas, isolamento, embalagem, bainha, e selos. Esses aquecedores vêm em vários formatos e configurações para atender aplicações específicas. As especificações típicas de pedido de aquecedor envolvem a potência ou potência, temperatura máxima de operação, tipo de fluido de processo, material da bainha, e fonte de alimentação (tensão e frequência).
