Introducere
Acest articol oferă o explorare aprofundată a elementelor de încălzire. Aprofundând în următoarele aspecte, cititorii vor dobândi o înțelegere aprofundată:
Cuprins
Elemente de încălzire
1: Desfacerea elementului de încălzire
Un element de încălzire este un material sau un dispozitiv remarcabil care transformă energia electrică în căldură printr-un proces cunoscut sub numele de încălzire Joule.. Când un curent electric trece printr-un conductor, electronii sau purtătorii de sarcină se ciocnesc cu atomii sau ionii conductorului. Aceste ciocniri la nivel atomic generează frecare, care se manifestă sub formă de căldură. Această producție de căldură este cuantificată de prima lege a lui Joule (sau legea Joule-Lenz), exprimat ca fie sau ². Aici, cantitatea de căldură generată depinde de curent, Voltaj, si rezistenta conductorului. Rezistența joacă un rol esențial în proiectarea elementelor de încălzire.
Încălzirea Joule are loc în diferite măsuri în toate materialele conductoare, cu excepţia supraconductorilor. Materialele cu rezistență electrică scăzută tind să producă mai puțină căldură, deoarece purtătorii de sarcină curg mai liber prin ele. În contrast, cele cu rezistență mare generează mai multă căldură. Supraconductorii permit trecerea curentului electric fără producerea de căldură. De obicei, căldura generată de conductori este considerată o pierdere de energie, precum încălzirea nedorită în echipamentele electrice cunoscută sub numele de pierderi de cupru, care nu contribuie la munca utilă.
Elementele electrice de încălzire sunt foarte eficiente în transformarea energiei electrice în căldură, cu aproape 100% a energiei furnizate fiind transformată în energie termică. De asemenea, pot emite energie sub formă de lumină și radiații. Cu toate acestea, această eficiență ideală se referă în principal la rezistențe. Pot apărea pierderi minore din cauza capacității și inductanței inerente ale materialului, care transformă energia electrică în câmpuri electrice și respectiv magnetice. În plus, eficiența generală a sistemului poate fi afectată de disiparea căldurii în mediul extern din fluidul de proces sau încălzitorul în sine. Astfel, pentru utilizarea optimă a căldurii generate, un sistem de încălzire bine izolat este esențial.
2: Proprietăți care definesc elementele de încălzire
Aproape toți conductorii produc căldură atunci când trece un curent electric prin ei, totuși nu toate sunt potrivite pentru utilizare ca elemente de încălzire. Materialul ideal pentru elementul de încălzire trebuie să aibă un amestec specific de electricitate, mecanic, și proprietăți chimice.
Rezistivitate: Pentru a genera căldură, elementul de încălzire necesită rezistență electrică adecvată. Cu toate acestea, nu ar trebui să fie atât de mare încât să devină un izolator. Rezistența electrică se calculează ca rezistivitate înmulțită cu lungimea conductorului împărțit la secțiunea transversală a conductorului. Pentru o secțiune transversală dată, se foloseşte un material cu rezistivitate mare când se doreşte un conductor mai scurt.
Rezistenta la oxidare: În general, căldura accelerează oxidarea atât în metale, cât și în ceramică. Oxidarea poate consuma elementul de încălzire, reducându-i capacitatea sau compromiţându-i structura, limitându-i astfel durata de viață. Pentru elemente de încălzire metalice, alierea cu un formator de oxizi ajută la formarea unui strat pasiv care să reziste la oxidare. Elementele de încălzire ceramice au în mod obișnuit solzi protectoare rezistente la oxidare, cum ar fi SiO₂ sau Al₂O₃. Unele tipuri de elemente de încălzire, precum grafitul, nu sunt potrivite pentru utilizare în medii oxidante și sunt utilizate în mod obișnuit în cuptoare cu vid sau în cele cu gaze de atmosferă neoxidante precum H₂, N₂, Ar, sau El, unde camera de încălzire este evacuată de aer.
Coeficientul de rezistență la temperatură: Rezistivitatea materialului se modifică cu temperatura. La majoritatea conductorilor, pe măsură ce temperatura crește, la fel si rezistenta. Acest fenomen are un efect mai pronunțat asupra anumitor materiale. Un coeficient mai mare de rezistență la temperatură este adesea utilizat în aplicațiile de detectare a căldurii. Pentru generarea de căldură, o valoare mai mică este de obicei de preferat. Cu toate acestea, în unele cazuri în care modificarea rezistenţei poate fi prezisă cu acurateţe, o creștere bruscă a rezistenței poate fi avantajoasă pentru a furniza mai multă putere. Pentru a lua în considerare schimbarea rezistivității, sunt folosite sisteme de control sau feedback.
Proprietăți mecanice: Elementele de încălzire rigide se pot deforma atunci când sunt utilizate la temperaturi ridicate. Pe măsură ce materialul se apropie de faza de topire sau de recristalizare, slăbește și se deformează mai ușor în comparație cu starea sa la temperatura camerei. Un element de încălzire bun își poate menține forma chiar și la temperaturi ridicate. În plus, ductilitatea este o proprietate mecanică de dorit, în special pentru elementele de încălzire metalice. Acesta permite materialului să fie tras în fire și modelat fără a-și sacrifica rezistența la tracțiune.
Punct de topire: Pe lângă temperatura la care oxidarea crește semnificativ, punctul de topire al materialului limitează, de asemenea, temperatura de funcționare. Ceramica are în general puncte de topire mai mari decât încălzitoarele metalice.
Principalii producători și companii de elemente de încălzire includ Backer Hotwatt, Inc., Ulanet™, Industriile Hi-Heat, Inc., Tutco-Farnam, și Elementul Național, Inc. (Puteți trece cu mouse-ul peste numele companiilor pentru a vedea previzualizările acestora.)
3: Materiale utilizate în elementele de încălzire
Proprietățile materialelor discutate mai devreme restrâng selecția la câteva materiale cheie.
Nichel-Crom (ni-Cr) Aliaj: Printre cele mai frecvent utilizate materiale pentru elementele de încălzire, Aliajele de nichel-crom sunt apreciate pentru ductilitatea lor, rezistivitate mare, și rezistență la oxidare chiar și la temperaturi ridicate. De obicei compus din 80% nichel și 20% crom (deși alte compoziții pot fi disponibile de la diferiți producători), aceste aliaje sunt adesea transformate în fire pentru a fi utilizate ca elemente de încălzire, cum ar fi la tăietoarele de spumă cu sârmă fierbinte. Pot atinge temperaturi maxime de încălzire de aproximativ 1,100 până la 1.200°C.
Fier-Crom-Aluminiu (Fe-Cr-Al) Aliaj: Adesea cunoscut sub numele de marca Kanthal, aliajele feritice fier-crom-aluminiu constau de obicei din 20 la 24% crom, 4 la 6% aluminiu, cu fierul alcătuind restul. Aceste aliaje sunt favorizate pentru flexibilitatea lor și densitatea mai mică în comparație cu aliajele de nichel-crom. Pot atinge temperaturi mai ridicate, ajungând în jur 1,300 până la 1.400°C. Deși tind să fie mai puțin costisitoare din cauza volatilității mai scăzute a prețului fierului în comparație cu nichelul, au rezistență redusă la temperaturi ridicate în comparație cu aliajele de nichel-crom. Ele pot fi îmbunătățite prin metalurgia pulberilor, unde lingoul de aliaj este măcinat într-o pulbere, comprimat într-o matriță, și sinterizat sau presat la cald într-o atmosferă controlată. Se adaugă dispersoizi pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, creșterea rezistenței și tenacității la temperaturi mai ridicate.
disilicid de molibden (MoSi₂): Un cermet refractar (un compozit ceramico-metalic), disilicidul de molibden este utilizat predominant ca material pentru element de încălzire. Este potrivit pentru cuptoare cu temperaturi înalte datorită punctului său de topire ridicat și rezistenței excelente la coroziune. Elementele de încălzire MoSi₂ sunt fabricate prin diferite metode consumatoare de energie, inclusiv aliaje mecanice, sinteza arderii, sinteza socului, si presare izostatica la cald. Pot atinge temperaturi de până la 1.900°C. Cu toate acestea, au dezavantaje precum rezistența scăzută la temperaturi ambientale și susceptibilitatea la fluaj la temperaturi ridicate. La temperatura camerei, MoSi₂ este fragil și necesită o manipulare atentă. Duritatea se îmbunătățește semnificativ la temperatura sa de tranziție fragilă-ductilă de aproximativ 1.000°C, dar o viteză mai mare de fluaj poate provoca deformare la temperaturi ridicate. Cel mai comun design al elementului MoSi₂ este tipul de ac de păr cu 2 tije, care este adesea suspendat de acoperișul cuptorului și poziționat în jurul pereților cuptorului. Alte configurații sunt disponibile și sunt frecvent combinate cu formatori de izolație ceramică pentru a oferi atât suport mecanic, cât și izolație termică într-un singur pachet.
Carbură de siliciu (Sic): Elementele de încălzire cu carbură de siliciu sunt realizate dintr-o ceramică produsă prin recristalizare sau prin lipirea prin reacție a granulelor de SiC la temperaturi de peste 2.100°C. Aceste elemente sunt de obicei poroase (8-25%) permițând atmosferei cuptorului să interacționeze prin material. Peste orar, elementul de încălzire poate suferi o oxidare treptată, care își mărește rezistența electrică într-un proces cunoscut sub numele “îmbătrânire.” Pentru a menține puterea constantă, o sursă de tensiune variabilă este adesea folosită pentru a crește gradat tensiunea pe măsură ce elementul îmbătrânește. Acest proces de îmbătrânire limitează în cele din urmă durata de viață și performanța elementului de încălzire. Carbura de siliciu este ideală pentru aplicații la temperaturi ridicate datorită mai multor proprietăți cheie. Îi lipsește o fază lichidă, ceea ce înseamnă că nu se lasă sau nu se deformează din cauza furajului la temperaturi ridicate, și nu sunt necesare suporturi interne în cuptor. SiC se sublimează direct la aproximativ 2.700°C, făcându-l potrivit pentru condiții extreme. În plus, este inert din punct de vedere chimic la majoritatea fluidelor de proces, are rigiditate ridicată, și un coeficient scăzut de dilatare termică. Încălzitoarele cu carbură de siliciu pot atinge temperaturi de aproximativ 1,600 până la 1.700°C.
Grafit: Grafit, un mineral cu o structură atomică hexagonală compusă din carbon, este un excelent conductor atât de căldură, cât și de electricitate. Poate genera căldură la temperaturi care depășesc 2.000°C. La temperaturi ridicate, rezistența sa electrică crește semnificativ. De asemenea, rezistă bine la șocuri termice și rămâne rezistentă fără a deveni casantă în timpul ciclurilor rapide de încălzire și răcire. Cu toate acestea, grafitul are un dezavantaj notabil: tinde să se oxideze la aproximativ 500°C, ducând la degradarea materialului cu expunere prelungită. în consecinţă, elementele de încălzire din grafit sunt utilizate predominant în cuptoarele cu vid, unde oxigenul și alte gaze sunt îndepărtate din camera de încălzire pentru a preveni oxidarea atât a metalelor topite, cât și a elementului de încălzire în sine.
Molibden, Tungsten, și Tantal: Metalele refractare precum wolfram și molibdenul prezintă proprietăți similare grafitului atunci când sunt utilizate ca elemente de încălzire. Printre aceste metale, wolfram poate funcționa la cele mai ridicate temperaturi, dar este și cel mai scump. Molibden, în timp ce mai puțin costisitoare și mai frecvent utilizate, este încă mai scump decât grafitul. Ca grafitul, aceste metale trebuie folosite în condiții de vid deoarece au o afinitate puternică pentru oxigen, hidrogen, și azot. Încep să se oxideze la temperaturi între 300 la 500°C.
Coeficient termic pozitiv (PTC) Materiale: Materialele PTC tipice includ cauciucul și ceramica. Cauciucul PTC este fabricat de obicei din polidimetilsiloxan (PDMS) infuzat cu nanoparticule de carbon. Încălzitoarele PTC se disting prin capacitatea lor de a regla fluxul de curent printr-o creștere a rezistenței electrice pe măsură ce temperatura crește. Această caracteristică le face sigure și potrivite pentru aplicații precum îmbrăcămintea. Iniţial, încălzitorul consumă putere maximă și se încălzește datorită rezistivității sale. Pe măsură ce temperatura crește, rezistența materialului crește, acționând în cele din urmă ca un izolator. Această autoreglare are loc fără a fi nevoie de o buclă de feedback extern.
4: Tipuri de elemente de încălzire
Un sistem de încălzire cuprinde mai mult decât elementul de încălzire. Include și rezilierile, conduce, izolare, ambalare, teaca, și sigilii. Încălzitoarele vin în diverse forme și configurații pentru a satisface nevoile specifice ale aplicațiilor.
Încălzitoare de proces de aer: După cum sugerează și numele, aceste încălzitoare sunt folosite pentru a încălzi aerul care curge. Ele constau dintr-un tub sau o conductă încălzită, cu un capăt pentru introducerea aerului rece și celălalt capăt ca ieșire de aer cald. Bobine de elemente de încălzire, izolate cu ceramica si garnituri neconductoare, sunt plasate de-a lungul pereților țevii. Ele sunt de obicei utilizate în flux mare, aplicații de joasă presiune, cum ar fi contracția termică, laminare, activarea sau întărirea adezivului, uscare, coacerea, etc.
Încălzitoare cu cartuş: La acest tip, firul de rezistență este înfăşurat în jurul unui miez ceramic, de obicei din oxid de magneziu compactat. Sunt disponibile, de asemenea, configurații dreptunghiulare în cazul în care bobinele de sârmă de rezistență trec de trei până la cinci ori pe lungimea cartuşului. Firul de rezistență sau elementul de încălzire este poziționat lângă pereții materialului de înveliș pentru un transfer maxim de căldură. Mantaua este de obicei realizată din materiale rezistente la coroziune, cum ar fi oțelul inoxidabil, pentru a proteja interiorul. Cabanele sunt de obicei flexibile, cu ambele terminaţii situate la un capăt al cartuşului. Încălzitoarele cu cartuș sunt utilizate la încălzirea matrițelor sau matrițelor, încălzirea fluidului (Încălzitoare de imersiune), și încălzirea suprafeței.
Încălzitoare tubulare: Elementele interne ale încălzitoarelor tubulare sunt similare cu cele ale încălzitoarelor cu cartuș. Principala diferență este că bornele de plumb sunt la capetele opuse ale tubului. Întreaga construcție tubulară poate fi îndoită în diferite forme pentru a se potrivi distribuției căldurii cerute de spațiul sau suprafața de încălzit. Ele pot avea, de asemenea, aripioare care sunt legate mecanic pe suprafața tecii pentru a ajuta la transferul eficient de căldură. Încălzitoarele tubulare sunt la fel de versatile ca și cartușele de încălzire și sunt utilizate în aplicații similare.
Încălzitoare cu bandă: Proiectat pentru a se înfășura în jurul suprafețelor metalice cilindrice sau a containerelor, cum ar fi țevile, butoaie, tobe, extrudere, etc., încălzitoarele cu bandă dispun de urechi de blocare înșurubate pentru a se fixa în siguranță pe suprafața containerului. În interiorul trupei, încălzitorul este o sârmă subțire de rezistență sau o panglică izolată de obicei de un strat de mică. Învelișul este realizat din oțel inoxidabil sau alamă. Un avantaj al încălzitoarelor cu bandă este că acestea încălzesc indirect fluidul din interiorul vasului, împiedicând încălzitorul să fie supus atacului chimic din partea fluidului de proces și, de asemenea, prevenind posibila aprindere atunci când este utilizat pentru service cu ulei și lubrifiant.
Încălzitoare de bandă: Aceste încălzitoare au formă plană și dreptunghiulară și sunt înșurubate pe suprafața de încălzit. Interiorul lor este similar cu încălzitoarele cu bandă, ci materialul izolator, în afară de mica, pot fi ceramice precum oxidul de magneziu și fibra de sticlă. Ele sunt de obicei utilizate pentru încălzirea suprafeței matrițelor, mucegaiuri, farfurii, tancuri, conducte, etc. Ele pot fi, de asemenea, utilizate pentru încălzirea aerului sau a fluidului având suprafețe cu aripioare. Încălzitoarele cu bandă cu aripioare sunt văzute în cuptoare și încălzitoare de spațiu.
Incalzitoare cu folie gravata: Cunoscute și sub numele de încălzitoare cu peliculă subțire, încălzitoarele cu folie gravată au materialul de încălzire rezistiv gravat și lipit pe o folie, de obicei din aluminiu. Dacă este necesară mai multă flexibilitate și rezistență la rupere, substratul poate fi realizat și din cauciuc sintetic termorezistent sau din poliuretan termoplastic (TPU). Distanța strânsă a elementelor de încălzire, un avantaj al gravării fotochimice, permite distribuirea uniformă a căldurii cu o densitate mai mare a căldurii în forme mici. Aplicațiile lor sunt mai specializate în comparație cu încălzitoarele convenționale cu fir și sunt de obicei văzute în dispozitivele medicale, electronice și instrumente, aerospațială, și îmbrăcăminte. O parte poate fi căptușită cu un strat adeziv pentru o montare ușoară.
Incalzitoare ceramice: Aceste încălzitoare folosesc ceramică cu punct de topire ridicat, stabilitate termică ridicată, rezistență la temperatură ridicată, inerție chimică relativă ridicată, si capacitate termica mica. Rețineți că acestea sunt diferite de ceramica folosită ca material izolator. Datorită proprietăților lor bune de conducție termică, sunt folosite pentru a conduce și a distribui căldura de la elementul de încălzire. Încălzitoarele ceramice notabile sunt nitrura de siliciu și nitrura de aluminiu. Ele sunt utilizate în mod obișnuit pentru încălzirea rapidă, așa cum se observă pe bujii incandescente și aprinderi. Cu toate acestea, atunci când sunt supuse la cicluri rapide de încălzire și răcire la temperaturi ridicate, materialul este predispus la fisurare din cauza oboselii cauzate de solicitarile termice. Un tip special de încălzitoare ceramice este ceramica PTC, care își poate autoregla consumul de energie pentru a preveni să devină roșie.
Incalzitoare din fibra ceramica: În acest tip de încălzitor, fibra ceramică este folosită ca izolator pentru a concentra căldura în suprafața de încălzit pentru a preveni pierderile sistemului. Un fir de rezistență este înfășurat pe o parte a plăcuței din fibră ceramică, iar această parte este lipită pe suprafața de încălzit, care poate ajunge până la 1.200°C.
5: Factori de luat în considerare atunci când alegeți un încălzitor
Deși elementele de încălzire funcționează în general pe același principiu, performanța și durata lor de viață sunt influențate de mai mulți factori. Specificațiile cheie pentru încălzitoare includ puterea sau puterea, temperatura maxima de functionare, tip de fluid de proces, materialul tecii, si sursa de alimentare (tensiune si frecventa). În plus, factori precum debitul fluidului și controlul temperaturii trebuie de asemenea luați în considerare pentru a optimiza performanța.
Densitatea Watt: Densitatea de wați este căldura furnizată de un element de încălzire pe unitate de suprafață. Densitatea de wați adecvată trebuie aleasă pentru o aplicație specifică pentru a utiliza pe deplin durata de viață a încălzitorului. Pentru o putere dată, atât încălzitoarele de înaltă, cât și de joasă densitate vor furniza aceeași cantitate de căldură, dar la temperaturi diferite. Elementele cu densitate mare pot atinge temperaturi mult mai ridicate, ceea ce poate duce la arderea prematură sau defectarea elementului. La selectarea unui element de încălzire, este esențial să verificați densitățile de wați recomandate de producător pentru o anumită aplicație.
Temperatură: Temperatura țintă de funcționare afectează direct densitatea de wați. Trebuie să existe un echilibru între acești doi factori. În proiectarea unui încălzitor de proces, temperatura este de obicei determinată mai întâi deoarece este un parametru de proces cerut de sistem.
Alimentare electrică: Elementul de încălzire trebuie să poată funcționa cu sursa de alimentare disponibilă. Verificați tensiunea nominală, care este de obicei 120V sau 240V. Când selectați o putere țintă, verifica amperajul produs. Aveți grijă să nu depășiți punctul de declanșare a întreruptorului de alimentare sau valorile nominale ale cablurilor de alimentare.
Fluxul de fluid: Intuitiv, fluidele stagnante sunt mai ușor de încălzit la o temperatură controlată decât fluidele care curg. Aerul sau alte gaze nu absorb, în general, căldura rapid datorită densității lor scăzute. Pentru a aborda acest lucru, sunt necesare încălzitoare cu suprafețe mari. Suprafețe cu aripioare și bobine lungi de sârmă (elemente de încălzire cu densitate redusă) sunt caracteristici comune ale încălzitoarelor de aer.
Locația senzorului de temperatură: Încălzitoarele convenționale vin cu un senzor de temperatură și un controler. În majoritatea aplicațiilor, dispozitivul de detectare măsoară doar temperatura fluidului de proces. Cu toate acestea, aceasta nu reprezintă de obicei temperatura reală a elementului de încălzire. Înainte de a instala încălzitorul și dispozitivul de detectare a temperaturii, este esențial să verificați dacă locația sa este adecvată pentru unitatea de încălzire. Dacă senzorul este prea departe, temperatura reflectată poate fi mult mai scăzută datorită disipării căldurii și ratei scăzute de transfer de căldură. Acest lucru poate duce la temperaturi foarte ridicate care pot arde elementul de încălzire.
Coroziune: Coroziunea poate proveni din fluidul de proces sau din mediul extern. Materialul de înveliș protejează elementul de încălzire, conduce, și izolatori de atac chimic. Astfel, mantaua trebuie sa isi poata mentine rezistenta la temperaturi ridicate fiind in acelasi timp rezistenta la coroziune. Materialele de acoperire utilizate pe scară largă sunt oțelul inoxidabil, alamă, cupru, și alte aliaje speciale precum Monel și Incoloy. În plus, integritatea mantalei și etanșarea terminalelor trebuie să fie suficiente pentru aplicare. Pentru aplicații solicitante, etanșarea ermetică este cea mai bună opțiune pentru a oferi protecție completă împotriva fluidului de proces.
Concluzie
Un element de încălzire este un material sau un dispozitiv care transformă energia electrică în căldură sau energie termică prin principiul încălzirii Joule.. Caracteristicile cruciale ale unui element de încălzire includ rezistivitate suficientă, rezistență ridicată la oxidare, coeficient de rezistență la temperatură scăzută, duritate ridicată, și punct de topire ridicat. Elementele de încălzire utilizate pe scară largă sunt aliajele de nichel-crom, aliaj fier-crom-aluminiu, disilicid de molibden, și carbură de siliciu, urmată de grafit și alte metale refractare cu viteze de oxidare în general mai mari. Pe langa elementul de incalzire, un încălzitor cuprinde terminații, conduce, izolare, ambalare, teaca, și sigilii. Aceste încălzitoare vin în diferite forme și configurații pentru a se potrivi cu anumite aplicații. Specificațiile tipice pentru comanda încălzitorului implică puterea sau puterea, temperatura maxima de functionare, tip de fluid de proces, materialul tecii, si sursa de alimentare (tensiune si frecventa).
