Densidade de watts e design térmico para aplicações abaixo de{0}}zero
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Um dos erros mais comuns que as pessoas cometem ao escolher aquecedores de cartucho é não prestar atenção à densidade de watts, que é a quantidade de eletricidade que sai de cada metro quadrado de área de superfície. Este parâmetro é muito mais importante em locais com temperaturas abaixo de -40 graus, uma vez que o aquecedor tem que lidar com muita perda de calor e ao mesmo tempo evitar os danos que podem acontecer quando as superfícies estão muito quentes.
Os aquecedores de cartucho padrão podem atingir densidades de watts de até 63 W/cm² (400 W/pol²), o que os torna excelentes para aquecer rapidamente moldes de injeção de plástico e equipamentos de embalagem. Esses projetos de alta-densidade funcionam porque o aquecedor é cercado por uma massa aquecida que afasta rapidamente o calor do aquecedor. Mas a matemática muda quando está frio lá fora. O mesmo aquecedor tem que lidar com a massa térmica da peça que está sendo aquecida, bem como com a constante perda de calor para o ar a -40 graus ou condução através de ligações estruturais.
Quando engenheiros térmicos experientes iniciam seus cálculos, eles usam o requisito básico de calor: Q=m × c × ΔT / t, onde Q é watts, m é massa, c é calor específico, ΔT é a mudança na temperatura e t é o tempo. Em seguida, eles adicionam a parte da perda de calor, que é o coeficiente de transferência de calor vezes a área da superfície vezes a mudança na temperatura ambiente. Em climas de -40 graus com vento, as perdas convectivas podem ser maiores do que a quantidade de aquecimento condutivo necessária, às vezes até duplicando o total de watts necessários.
Na prática, isso significa que os aquecedores de cartucho para climas frios geralmente têm densidades de watts mais baixas do que aqueles para temperaturas quentes, geralmente 10–25W/cm² em vez de 40–63W/cm². Este método cauteloso tem muitos benefícios. As temperaturas mais baixas da superfície retardam o processo de oxidação no fio de resistência, o que pode fazer com que o aquecedor dure anos em vez de apenas meses. Uma distribuição de calor mais consistente interrompe as manchas quentes que quebram o isolamento de óxido de magnésio. E a menor diferença de temperatura entre o aquecedor e o ar circundante reduz o estresse térmico na parte aquecida.
Estes factos térmicos devem ser tidos em conta ao fazer planos para a gestão da temperatura. Quando o aquecedor alterna entre potência máxima e desligado, a temperatura pode mudar em até ±10 graus ou mais. Quando a temperatura é de -40 graus, os períodos desligados permitem que as coisas esfriem rapidamente, o que sobrecarrega os materiais e desperdiça energia ao aquecê-los. O uso de relés de{10}estado sólido ou controladores de energia SCR para controle proporcional mantém os níveis de energia estáveis e corresponde às perdas de calor com precisão. Isto mantém as temperaturas dentro de ±2 graus do ponto de ajuste e reduz o uso de energia em 20–30% em comparação com o controle bang-bang.
Nestes casos, colocar termopares nos lugares certos é uma arte. Colocar o sensor na ponta do aquecedor proporciona a resposta mais rápida, mas monitora a temperatura do aquecedor em vez da temperatura do processo. Colocá-lo na massa quente produz dados de processo mais precisos, mas também adiciona atraso, o que pode causar overshoot. A resposta geralmente é usar dois sensores: um no aquecedor para manter as coisas seguras e outro no processo para controlar as coisas. O algoritmo de controle deve encontrar o equilíbrio certo entre reação rápida e estabilidade.
Em instalações-de baixa temperatura, as zonas frias necessitam de cuidados especiais. Quando as caixas de terminais são expostas a -40 graus, a parte não aquecida na extremidade do cabo, que geralmente tem 5–10 mm em aquecedores normais, pode precisar ser estendida para 25–50 mm. Isto evita que o ponto de conexão fique abaixo do ponto de orvalho, quando a condensação se acumula e causa problemas elétricos. Alguns projetos usam curvas em ângulo reto ou extensões de bainha para direcionar os condutores através de paredes isoladas, mantendo a zona de aquecimento ativa no lugar certo.
O gerenciamento da expansão térmica afeta tanto as especificações do aquecedor quanto o projeto da instalação. Quando aquecido de -40 graus a 300 graus, um aquecedor de cartucho de 200 mm de comprimento cresce cerca de 2,5 mm. Este desenvolvimento coloca força de compressão no aquecedor ou na parte aquecida, o que pode fazer com que o aquecedor dobre ou a parte aquecida mude de forma. Um aquecedor-bem projetado tem furos passantes ou folga de expansão na extremidade fechada e é mantido no lugar na extremidade do terminal para evitar que saia e ao mesmo tempo permite que ele se estenda em comprimento.
