Elemento de aquecimento Elemento de aquecimento elétrico Placa de produção básica

O que são elementos de aquecimento? Como funcionam os aquecedores elétricos? Que tipos de produtos estão disponíveis? Que tipos de materiais de aquecimento estão disponíveis? Uma visão abrangente dos básicos dos elementos de aquecimento.

1. O que são elementos de aquecimento?
Um elemento de aquecimento é um material ou dispositivo que converte energia elétrica diretamente em calor ou energia térmica através de um princípio conhecido como aquecimento de joule. O aquecimento de Joule é o fenômeno no qual um condutor gera calor devido ao fluxo de corrente elétrica. Quando a corrente flui através de um material, elétrons ou outros portadores de carga colidem com os íons ou átomos do condutor, gerando atrito na escala atômica. Esse atrito se manifesta como calor. A primeira lei de Joule (o Joule - LENZ LEI) descreve o calor gerado pela corrente em um condutor. É expresso como:

P=iv ou p=i²r

De acordo com essas equações, a quantidade de calor gerada depende da corrente, tensão ou resistência do material condutor. A resistência é um fator -chave no design de um elemento de aquecimento.

O aquecimento de Joule é evidente em todos os materiais condutores de forças variadas, com exceção de uma classe especial de materiais conhecidos como supercondutores. Geralmente, os materiais condutores geram menos calor porque os portadores de carga fluem facilmente através deles, enquanto materiais com alta resistência geram mais calor. Os supercondutores, por outro lado, permitem que a corrente flua sem gerar calor. De um modo geral, o calor de um condutor é considerado perda de energia. A energia elétrica usada para alimentar um dispositivo gera calor desnecessário na forma de perdas de transmissão, produzindo, em última análise, nenhum trabalho útil.

Em certo sentido, os elementos de aquecimento elétrico são quase 100% eficientes, porque toda a energia fornecida é convertida em sua forma pretendida. Os elementos de aquecimento podem não apenas realizar calor, mas também transferir energia através da luz e radiação. No entanto, isso se aplica apenas a resistores parcialmente ideais. A capacitância e indutância inerentes ao material convertem energia elétrica em campos elétricos e magnéticos, respectivamente, resultando em pequenas perdas. Considerando todo o sistema do aquecedor, as perdas vêm do calor dissipado do fluido do processo ou do próprio aquecedor para o ambiente externo. Portanto, o sistema deve ser isolado para utilizar todo o calor gerado.

Ii. Propriedades do elemento de aquecimento
Quase todos os condutores geram calor quando a corrente flui através deles. No entanto, nem todos os condutores são adequados para uso como elementos de aquecimento. É necessária a combinação correta de propriedades elétricas, mecânicas e químicas. As propriedades a seguir são importantes no design do elemento de aquecimento.

Resistividade: Para gerar calor, um elemento de aquecimento deve ter resistência elétrica suficiente. No entanto, a resistência não pode ser tão alta que se torne um isolador. A resistência é igual à resistividade multiplicada pelo comprimento do condutor dividido pela seção Cruz de condutores -. Para uma determinada seção Cruz -, para obter um condutor mais curto, use um material com uma resistividade mais alta.

Resistência a oxidação: O calor normalmente acelera a oxidação em metais e cerâmicas. A oxidação pode consumir o elemento de aquecimento, reduzindo sua capacidade ou danificando sua estrutura. Isso limita a vida do elemento de aquecimento. Para elementos de aquecimento de metal, a liga com o óxido ajuda a resistir a oxidação, formando uma camada de passivação. Para elementos de aquecimento de cerâmica, é o escalonamento de oxidação anti - com SiO₂ ou Al₂o₃ é mais comum. Tipos de elementos de aquecimento inadequados para uso em ambientes oxidantes, como grafite, são mais comumente usados ​​em fornos de vácuo ou fornos com gases de atmosfera oxidante não -}, onde não há ar na câmara de aquecimento.
Coeficiente de temperatura de resistência: observe como a resistividade de um material muda com a temperatura. Na maioria dos condutores, à medida que a temperatura aumenta, a resistência também aumenta. Esse fenômeno afeta alguns materiais mais significativamente do que outros. Um TCR mais alto é usado principalmente no calor - aplicações sensíveis. Para geração de calor, geralmente é preferido um valor mais baixo. Embora a mudança na resistência possa ser prevista com precisão em alguns casos, é necessário um aumento dramático na resistência para fornecer mais energia. Para adaptar o sistema à mudança de resistividade, é empregado um sistema de controle ou feedback.

Propriedades mecânicas: elementos de aquecimento rígidos se deformam quando usados ​​em altas temperaturas. À medida que um material se aproxima de seu estado derretido ou recristalizado, ele enfraquece e se deforma mais facilmente do que em temperatura ambiente. Um bom elemento de aquecimento mantém sua forma, mesmo em altas temperaturas. A ductilidade, por outro lado, é uma propriedade mecânica desejável, especialmente para elementos de aquecimento de metal. A ductilidade permite que o material seja desenhado em fio e moldado sem comprometer sua resistência à tração.
Ponto de fusão: Além da temperatura em que a oxidação aumenta significativamente, o ponto de fusão de um material também limita sua temperatura operacional. As cerâmicas geralmente têm pontos de fusão mais altos do que os aquecedores de metal.

Materiais de elemento de aquecimento

As propriedades do material do elemento de aquecimento restringem a seleção a alguns materiais. Os mais comuns são o níquel - ligas de cromo, ferro - cromo - ligas de alumínio, silicida de molibdênio e carboneto de silício. Esses materiais podem operar em altas temperaturas porque resistem a oxidação em altas temperaturas. Outro grupo consiste em grafite, molibdênio, tungstênio e tântalo. Esses materiais oxidam em altas temperaturas e são frequentemente usados ​​em ambientes de vácuo ou fornos com um oxigênio - atmosfera livre.

Níquel - Chromium (ni - cr) liga
Esse tipo de elemento de aquecimento é um dos materiais mais utilizados devido à sua ductilidade, alta resistividade e resistência à oxidação, mesmo em altas temperaturas. A composição mais comum de Ni - CR liga é 80/20, ou 80% de níquel e 20% de cromo. Outras composições variam dependendo do fabricante. Devido à sua alta ductilidade, ela é frequentemente desenhada quando usada como elemento de aquecimento. Um aplicativo comum que exibe essa característica é quente - cortes de espuma de arame. A temperatura máxima de aquecimento do fio Ni - Cr é de aproximadamente 1.100 a 1.200 graus.

Ferro - cromium - alumínio (Fe - cr - al) liga
Esse tipo de Fe ferrítica - Cr - allOOL AL normalmente possui uma composição química de 20% a 24% de cromo, 4 - alumínio 6% e ferro como o equilíbrio. Comparado com ni - Cr, Fe - Cr - al aquecedores são flexíveis e mais leves. Eles também podem gerar temperaturas mais altas que o fio de ni -}, aproximadamente 1.300 a 1.400 graus. Devido ao seu metal base de ferro, o preço desta liga flutua menos de Ni - Cr, que é composto principalmente por níquel. Uma desvantagem de usar as ligas Fe - Cr-al é sua força reduzida em temperaturas mais altas.

Fe - Cr - Alloys AL pode ser fabricado de maneira mais eficaz através de um processo conhecido como metalurgia em pó. Nesse processo, um lingote da liga é reduzido a um pó e compactado em um molde. Em seguida, é sinterizado ou quente - pressionado (pressionamento isostático quente) em uma temperatura - atmosfera controlada para criar uma ligação metalúrgica sem derreter completamente o metal em pó. Os dispersantes são adicionados à mistura de liga para melhorar as propriedades mecânicas do material, transmitindo resistência e tenacidade adicionais a temperaturas mais altas.

Disilicida de molibdênio (Mosi₂)
O disilicídio de molibdênio é um cermet refratário (cerâmica - composto de metal) usado principalmente como material do elemento de aquecimento. Devido ao seu alto ponto de fusão e boa resistência à corrosão, é um material ideal para altos fornos de temperatura -. Os elementos de aquecimento de Mosi₂ são produzidos através de vários processos intensivos de energia -, incluindo liga mecânica, síntese de combustão, síntese de impacto e prensagem isostática quente.

Os aquecedores de mosi podem atingir temperaturas de aquecimento de até 1.900 graus. As desvantagens do uso de silicida de molibdênio são sua baixa tenacidade em condições ambientais e sua tendência a surgir a altas temperaturas. É quebradiço à temperatura ambiente e requer extremo cuidado no manuseio. A tenacidade mais alta é alcançada no frágil - para - temperatura de transição dúctil, cerca de 1.000 graus. Por outro lado, a maior taxa de fluência pode fazer com que o elemento de aquecimento se deforme facilmente em altas temperaturas. O tipo mais comum de elemento MOSI2 é um design de cabelo de dois-} hairpin, normalmente suspenso do teto do forno e posicionado ao redor das paredes do forno. Outras formas são frequentemente combinadas com formadores isolantes de cerâmica como um pacote integrado para fornecer suporte mecânico e isolamento térmico.

Carboneto de silício (sic)
Esta é uma cerâmica produzida pela recristalização ou ligação da reação SiC grãos a temperaturas acima de 2.100 graus. Os elementos de aquecimento do carboneto de silício são porosos (normalmente 8 - 25%), permitindo que a atmosfera do forno reaja através da seção transversal do material. Todo o elemento de aquecimento pode oxidar gradualmente, fazendo com que suas propriedades resistivas aumentem ao longo do tempo (comumente chamado de "envelhecimento"). Uma fonte de alimentação de tensão variável geralmente é necessária para aumentar gradualmente a tensão do elemento ao longo de sua vida útil, mantendo gradualmente a saída de energia necessária. Esse envelhecimento, em última análise, limita a vida útil e o desempenho do elemento de aquecimento.

O carboneto de silício possui muitas propriedades que o tornam adequado para fabricar elementos de aquecimento adequados para temperaturas operacionais extremamente altas. Esta cerâmica não tem fase líquida. Isso significa que o elemento não cederá ou se deforma devido à fluência a qualquer temperatura, e nenhum suporte é necessário dentro do forno. O carboneto de silício sublima diretamente em aproximadamente 2.700 graus. Além disso, é quimicamente inerte para a maioria dos fluidos de processo e possui alta rigidez e um baixo coeficiente de expansão térmica. Os aquecedores de carboneto de silício podem atingir temperaturas de aquecimento de aproximadamente 1.600 a 1.700 graus.

Grafite
A grafite é um mineral composto de carbono, no qual os átomos são dispostos em uma estrutura hexagonal. Este mineral, também em sua forma sintética, é um excelente condutor de calor e eletricidade. A grafite pode gerar calor em temperaturas superiores a 2.000 graus. Em altas temperaturas, sua resistência elétrica aumenta significativamente. Além disso, pode suportar o choque térmico e não se torna quebradiço, mesmo após ciclos rápidos de aquecimento e resfriamento. A principal desvantagem do uso de grafite é sua tendência a oxidar em temperaturas em torno de 500 graus. O uso continuado nesse intervalo acabará por levar ao esgotamento do material. Os elementos de aquecimento de grafite são frequentemente usados ​​em fornos a vácuo, onde o oxigênio e outros gases são ventilados da câmara de aquecimento. Essa depleção de oxigênio impede a oxidação não apenas do metal fundido, mas também do próprio elemento de aquecimento. A grafite pode ser usada na vedação de filmes para criar aquecedores de filme finos-, como filmes de aquecimento de cristal de carbono e filmes de aquecimento de grafeno.

Molibdênio, tungstênio e tântalo
Quando usados ​​como elementos de aquecimento, esses são metais refratários com propriedades semelhantes à grafite. Desses metais, o tungstênio tem a maior temperatura operacional, mas também é mais caro. O molibdênio é mais popular em termos de disponibilidade, porque é o mais barato, mas ainda mais caro que a grafite. Como a grafite, eles só podem ser usados ​​sob condições de vácuo devido à sua forte afinidade de ligação com oxigênio e até hidrogênio e nitrogênio. Eles começam a oxidar a temperaturas entre aproximadamente 300 e 500 graus.

Materiais de coeficiente de temperatura positiva (PTC)
O material típico do PTC é de borracha, mas as cerâmicas também são possíveis. A borracha PTC é feita de polidimetilsiloxano (PDMS) e nanopartículas de carbono. Os aquecedores de PTC têm uma característica única: eles mantêm ou limitam o fluxo de corrente, aumentando sua resistência à medida que a temperatura aumenta. Isso os torna seguros e adequados para aplicações como temperatura constante e controle de temperatura inteligente em roupas e dispositivos médicos. Inicialmente, o aquecedor consome toda energia e aquece devido à sua resistividade. À medida que o calor aumenta, a resistência do material aumenta, atuando como um isolador. Isso é alcançado sem a necessidade de qualquer loop de feedback.

Tipos de elementos de aquecimento
Somente um elemento de aquecimento não compreende todo o sistema de aquecimento. Além do elemento de aquecimento, um aquecedor também inclui terminais, cabos, isolamento, enchimento, revestimento e vedações. Esses aquecedores vêm de várias formas e configurações para se adequar a aplicações específicas. O seguinte lista os aquecedores mais comuns e seus aplicativos.

Aquecedores de processo de ar: Como o nome sugere, esse tipo de aquecedor é usado para aquecer o ar que flui. Um aquecedor de processo de ar é essencialmente um tubo ou duto aquecido com uma extremidade para a ingestão de ar fresco e o outro para a saída do ar quente. Ao longo da parede do duto estão as bobinas de elementos de aquecimento isolados por juntas de cerâmica e não -. Estes são normalmente usados ​​no fluxo alto -, baixo - aplicações de pressão. As aplicações para aquecedores de processo de ar incluem encolhimento de calor, laminação, ativação ou cura adesiva, secagem e cozimento.

Aquecedores de cartucho: Neste tipo de aquecedor, um fio de resistência é enrolado em torno de um núcleo de cerâmica, geralmente feito de óxido de magnésio compactado. As configurações retangulares também estão disponíveis, nas quais as bobinas de arame de resistência passam três a cinco vezes ao longo do comprimento do cartucho. O fio de resistência, ou elemento de aquecimento, está localizado próximo à parede do material da bainha para maximizar a transferência de calor. Para proteger os componentes internos, a bainha é tipicamente feita de um material resistente à corrosão -, como o aço inoxidável. Os leads são tipicamente flexíveis, com os dois terminais localizados em uma extremidade do cartucho. Os aquecedores de cartucho são usados ​​para aquecimento de mofo, aquecimento de fluidos (aquecedores de imersão) e aquecimento da superfície.

Aquecedores tubulares: os aquecedores tubulares têm a mesma estrutura interna que os aquecedores de cartucho. A principal diferença dos aquecedores de cartucho é que os terminais de chumbo estão localizados em cada extremidade do tubo. Toda a estrutura tubular pode ser dobrada em várias formas para se adequar à distribuição de calor desejada do espaço ou superfície a ser aquecida. Além disso, esses aquecedores podem ter aletas ligadas mecanicamente à superfície da bainha para ajudar em transferência de calor eficiente. Os aquecedores tubulares são tão versáteis quanto os aquecedores de cartucho e são usados ​​em aplicações semelhantes.

Aquecedores da banda: esses aquecedores são projetados para envolver superfícies ou vasos de metal cilíndrico, como tubos, barris, tambores e extrusores. Eles apresentam parafuso - nas guias de bloqueio que prendem com segurança a superfície da embarcação. O aquecedor é um fio ou fita fino e resistivo, normalmente isolada com mica. A bainha é feita de aço inoxidável ou latão. Outra vantagem de usar um aquecedor de banda é que ele aquece o fluido dentro do vaso indiretamente. Isso significa que o aquecedor não está sujeito a nenhum ataque químico do fluido do processo. Isso também evita incêndios em potencial quando usado no serviço de petróleo e lubrificante.

Aquecedores de tira: Esses aquecedores são planos, retangulares e aparafusados ​​à superfície a serem aquecidos. Sua construção interna é semelhante à de um aquecedor de banda. No entanto, o material de isolamento, além da mica, pode ser cerâmico, como óxido de magnésio e fibra de vidro. Os usos típicos para aquecedores de banda são aquecimento da superfície para moldes, matrizes, platôs, tanques, tubos e similares. Além do aquecimento da superfície, eles também podem ser usados ​​para aquecimento de ar ou fluido, tendo uma superfície barbatana. Aquecedores de aletas são encontrados em fornos e aquecedores de espaço.

Aquecedores de folha gravados: aquecedores de folha gravados também são chamados de aquecedores de filme finos -. Nesse tipo, o material de aquecimento resistivo é gravado e ligado a uma folha, normalmente feita de alumínio. Se for necessária uma maior flexibilidade e resistência das listas, o substrato também pode ser feito de calor - de borracha sintética resistente ou poliuretano termoplástico (TPU). Aquecedores flexíveis comuns, como filme de aquecimento para animais de estimação, filme de aquecimento de FPC e aquecedores de silicone geralmente usam aquecedores de folha gravados. Além da flexibilidade, outra vantagem é o espaçamento apertado dos elementos de aquecimento, uma vantagem inerente à gravação fotoquímica. Mesmo em um fator de forma tão pequeno, a distribuição de calor com maior densidade de calor pode ser alcançada. Comparados aos aquecedores de arame tradicionais, suas aplicações são mais especializadas. Aquecedores de folha gravados são comumente usados ​​em dispositivos médicos, eletrônicos e instrumentação, aeroespacial e vestuário. Um lado pode ser revestido com uma camada adesiva para facilitar a instalação.

Aquecedores de cerâmica: Esses aquecedores usam cerâmica com alto ponto de fusão, alta estabilidade térmica, alta resistência à temperatura -}, alta inércia química relativa e baixa capacidade de calor. Observe que isso é diferente da cerâmica usada como materiais isolantes. Devido à sua excelente condutividade térmica, eles são usados ​​para conduzir e distribuir calor do elemento de aquecimento. Aquecedores de cerâmica notáveis ​​incluem nitreto de silício e nitreto de alumínio. Eles são frequentemente usados ​​para aquecimento rápido, como visto em plugues e ignitadores de brilho. No entanto, quando sujeitos a ciclos rápidos e altos -} aquecimento e resfriamento de temperatura, o material é suscetível a rachaduras devido à fadiga causada pelo estresse térmico. Um tipo especial de aquecedor de cerâmica é a cerâmica do PTC. Esse tipo de auto - regula seu consumo de energia, impedindo que ele se torne vermelho.

Aquecedor de fibra de cerâmica: Neste tipo de aquecedor, a fibra de cerâmica atua como um isolador, concentrando o calor na superfície a ser aquecido para evitar perdas do sistema. Um fio de resistência é enrolado em torno de um lado do tapete de fibra de cerâmica. Este lado é ligado à superfície, que pode ser aquecido até 1.200 graus.

Conclusão:
Um elemento de aquecimento é um material ou dispositivo que converte energia elétrica diretamente em calor ou energia térmica através de um princípio conhecido como aquecimento de joule.
As propriedades mais importantes dos elementos de aquecimento são resistividade adequada, alta resistência a oxidação, um coeficiente de resistência baixo, alta tenacidade e um alto ponto de fusão.
Os elementos de aquecimento comumente usados ​​incluem níquel - ligas de cromo, ferro - cromo - ligas de alumínio, desilicídio de molibdênio e carboneto de silício. A grafite e outros metais refratários, que normalmente têm altas taxas de oxidação, também são populares.
Além do elemento de aquecimento, um aquecedor também inclui terminais, cabos, isolamento, enchimentos, bainhas e vedações. Esses aquecedores vêm de várias formas e configurações para se adequar a aplicações específicas.
As especificações típicas de ordem do aquecedor incluem energia ou potência, temperatura operacional máxima, tipo de fluido de processo, material de bainha e fonte de alimentação (tensão e frequência).