Decisões de ciência de materiais em aquecedores de cartucho de{0}temperaturas extremas
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Se você falar sobre aquecimento industrial, alguém provavelmente mencionaria “aço inoxidável” como se fosse uma coisa. Na verdade, os fabricantes de aquecedores de cartucho escolhem entre uma variedade de ligas, cada uma mais adequada para uma determinada faixa de temperaturas e condições químicas. Estas seleções de materiais decidem se o aquecedor dura anos ou quebra em meses quando usado a -40 graus.
Para a maioria dos usos industriais, o aço inoxidável 304 é o melhor material a ser usado. Possui 18% de cromo e 8% de níquel, o que o torna muito resistente à oxidação de até 800 graus e o mantém robusto em temperaturas muito baixas. A estrutura austenítica interrompe a transição dúctil-para{7}}frágil que ocorre com os aços carbono, de modo que a bainha não se estilhaça quando inicia a frio ou passa por ciclos térmicos. Para a maioria dos usos industriais em climas frios, como máquinas externas, equipamentos de refrigeração e aquecimento de processos em geral, o 304 é a combinação ideal de desempenho e custo.
A adição de 2–3% de molibdênio à composição original do 304 torna o aço inoxidável 316L muito mais resistente a cloretos e produtos químicos industriais. Isso também é importante em situações costeiras, processamento químico ou aplicações alimentícias onde o sal ou produtos de limpeza ácidos podem danificar o aço inoxidável comum. O "L" significa baixo teor de carbono (menos de 0,03%), o que impede a formação de carboneto durante a soldagem, o que pode iniciar a corrosão. 316L vale o custo extra de 20 a 30%, pois dura mais em aquecedores de cartucho expostos a ambientes corrosivos e de -40 graus.
Incoloy 800 e 840 são as melhores opções para trabalhos difíceis. As ligas de níquel-ferro-cromo têm 30–35% de níquel, enquanto o aço inoxidável tem apenas 8–10%. Isto os torna melhores na resistência à oxidação e à carburação em altas temperaturas. Mais importante ainda para uso em climas frios, eles mantêm sua incrível resistência mecânica e ductilidade mesmo quando a temperatura muda muito. A alta concentração de níquel também o torna resistente a choques térmicos, que é o que acontece quando um aquecedor liga e desliga em -40 graus.
3.jpg As peças internas usam materiais igualmente específicos. O fio de resistência geralmente é feito de NiCr 80/20, que contém 80% de níquel e 20% de cromo. Este material foi escolhido porque possui propriedades de resistência consistentes e pode suportar oxidação de até 1.200 graus. FeCrAl (ferro-cromo-alumínio) e outras ligas podem suportar temperaturas máximas mais altas a um custo menor, mas são menos dúcteis e sua resistência muda mais rapidamente quando a temperatura muda. NiCr 80/20 ainda é o padrão da indústria para desempenho consistente em temperaturas de -40 graus a +800 graus.
O isolamento de óxido de magnésio pode parecer um material comum, mas os níveis de pureza podem ser muito diferentes. O MgO de grau técnico possui impurezas que diminuem sua condutividade térmica e rigidez dielétrica. O MgO de alta-pureza de fabricantes especializados, como Tateho do Japão e UCM do Reino Unido, tem uma condutividade térmica de mais de 6 W/m·K e uma resistência de isolamento de mais de 10¹⁴ Ω·cm a 20 graus . Em sistemas com muitos watts por polegada quadrada, essa pureza é muito importante porque evita que o calor fique preso entre o fio e a bainha e evita que a eletricidade se quebre.
O isolamento do fio condutor precisa escolher os materiais certos mais do que qualquer outro tipo de isolamento. Ele deve permanecer flexível a -40 graus e ser capaz de suportar 250 graus no ponto de conexão do aquecedor. O PVC padrão falha em ambos os aspectos: torna-se quebradiço abaixo de -10 graus e derrete a 105 graus. A borracha de silicone pode dobrar a -60 graus e permanecer assim a 200 graus, mas não suporta arranhões. A resposta é construí-lo a partir de compósitos, com trança de fibra de vidro para resistência ao calor e revestimento de silicone ou Teflon para proteção contra produtos químicos e água. O fio com núcleo de níquel puro com isolamento mineral (cabo MI) pode suportar temperaturas de -200 graus a +600 graus e é totalmente à prova d'água.
Ligas de níquel-manganês ou níquel puro são usadas para pinos terminais e conexões internas. Essas ligas correspondem às propriedades de expansão térmica da bainha de aço inoxidável e fornecem canais elétricos que não enferrujam. Terminais de latão ou cobre são mais baratos, mas quando usados com aço inoxidável, formam células de corrosão galvânica. Eles também ficam mais duros à medida que são aquecidos e resfriados, o que pode causar problemas de conexão.
