Linh kiện đốt nóng là gì? Các loại linh kiện đốt nóng và các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn linh kiện đốt nóng
1. Linh kiện đốt nóng là gì?
2. Các thuộc tính của linh kiện đốt nóng
3. Vật liệu làm linh kiện đốt nóng
4. Các loại linh kiện đốt nóng
5. Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn Bộ gia nhiệt
1. Linh kiện đốt nóng là gì?
Linh kiện đốt nóng là một vật liệu hoặc thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành nhiệt hoặc năng lượng nhiệt thông qua một nguyên tắc được gọi là Định luật Joule–Lenz. Định luật Joule–Lenz là hiện tượng một dây dẫn tạo ra nhiệt do dòng điện chạy qua. Khi dòng điện chạy qua vật liệu, các electron hoặc hạt mang điện khác va chạm với các ion hoặc nguyên tử của dây dẫn tạo ra ma sát ở quy mô nguyên tử. Ma sát này sau đó biểu hiện dưới dạng nhiệt. Điều này được thể hiện như,
P = IV hoặc P =I²R
Từ các phương trình này, lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào dòng điện và điện áp hoặc điện trở của dây dẫn. Trong thiết kế các linh kiện đốt nóng, điện trở là yếu tố quan trọng hơn.
Định luật Joule–Lenz (Gia nhiệt Joule) là điều hiển nhiên trong tất cả các vật liệu dẫn điện ở các cường độ khác nhau, ngoại trừ một loại vật liệu đặc biệt được gọi là chất siêu dẫn. Nói chung, đối với các vật liệu dẫn điện, nhiệt sinh ra ít hơn do các hạt mang điện có thể dễ dàng chạy qua; còn đối với vật liệu có điện trở cao thì nhiệt tỏa ra nhiều hơn. Mặt khác, chất siêu dẫn cho phép dòng điện chạy qua nhưng không sinh ra nhiệt.
Theo một nghĩa nào đó, các linh kiện đốt nóng bằng điện có hiệu suất gần như 100% vì tất cả năng lượng được cung cấp đều được chuyển đổi thành dạng mong muốn. Các linh kiện đốt nóng có thể không chỉ dẫn nhiệt mà còn truyền năng lượng thông qua ánh sáng và bức xạ. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng với điện trở lý tưởng. Tổn thất nhỏ có thể bắt nguồn từ điện dung và độ tự cảm vốn có của vật liệu chuyển đổi năng lượng điện thành điện trường và từ trường tương ứng. Xem xét toàn bộ hệ thống gia nhiệt, tổn thất là do sự tản nhiệt ra môi trường bên ngoài từ chất lỏng của quá trình hoặc từ chính thiết bị gia nhiệt. Như vậy, hệ thống phải được cách ly để tận dụng hết lượng nhiệt sinh ra.
2. Các thuộc tính của linh kiện đốt nóng
Hầu như tất cả các chất dẫn điện đều có khả năng sinh nhiệt khi có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên, không phải tất cả các dây dẫn đều phù hợp để chế tạo thành các linh kiện đốt nóng. Sự kết hợp đúng đắn của các tính chất điện, cơ học và hóa học là bắt buộc. Liệt kê dưới đây là các thuộc tính quan trọng đối với thiết kế linh kiện đốt nóng.
- Điện trở suất: Để sinh nhiệt, bộ phận đốt nóng phải có đủ điện trở. Tuy nhiên, điện trở không được cao đến mức trở thành chất cách điện. Điện trở bằng điện trở suất nhân với chiều dài của dây dẫn chia cho tiết diện của dây dẫn. Đối với một mặt cắt nhất định, để có một dây dẫn ngắn hơn, một vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng.
- Khả năng chống oxy hóa: Nhiệt thường đẩy nhanh quá trình oxy hóa ở cả kim loại và gốm sứ. Quá trình oxy hóa có thể tiêu thụ linh kiện đốt nóng và có thể làm giảm công suất hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc của bộ phận. Điều này làm hạn chế tuổi thọ của linh kiện đốt nóng. Đối với các linh kiện đốt nóng bằng kim loại, việc tạo hợp kim với một oxit cũ giúp chống lại quá trình oxy hóa bằng cách tạo thành một lớp thụ động. Đối với các phần tử gia nhiệt bằng sứ, các lớp bảo vệ chống oxi hóa bằng SiO2 hoặc Al2O3 là phổ biến nhất. Các loại phần tử gia nhiệt không phù hợp để sử dụng trong môi trường oxy hóa, chẳng hạn như than chì, thường được sử dụng trong lò chân không hoặc lò chứa khí không khí không oxy hóa, chẳng hạn như H2, N2, Ar hoặc He, trong đó buồng gia nhiệt được hút chân không không khí .
- Hệ số điện trở nhiệt độ: Lưu ý rằng điện trở suất của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Trong hầu hết các dây dẫn, khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng. Hiện tượng này có ảnh hưởng đáng kể đến một số vật liệu hơn những vật liệu khác. Hệ số điện trở nhiệt độ cao hơn chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến nhiệt. Để tạo nhiệt, thường tốt hơn là có giá trị thấp hơn. Mặc dù trong một số trường hợp có thể dự đoán chính xác sự thay đổi của điện trở, nhưng mong muốn tăng mạnh điện trở để cung cấp nhiều năng lượng hơn. Để làm cho hệ thống điều chỉnh theo điện trở suất thay đổi, hệ thống điều khiển hoặc phản hồi được sử dụng.
- Tính chất cơ học: Các linh kiện đốt nóng cứng có thể biến dạng khi sử dụng ở nhiệt độ cao. Khi vật liệu tiến đến giai đoạn nóng chảy hoặc kết tinh lại, vật liệu có thể yếu đi và biến dạng dễ dàng hơn so với trạng thái của nó ở nhiệt độ phòng. Một linh kiện đốt nóng tốt có thể duy trì hình thức của nó ngay cả ở nhiệt độ cao. Một lưu ý khác, độ dẻo cũng là một tính chất cơ học mong muốn, đặc biệt là đối với các linh kiện đốt nóng bằng kim loại. Tính dẻo cho phép vật liệu được kéo thành dây và tạo thành hình mà không ảnh hưởng đến độ bền kéo của nó.
- Điểm nóng chảy: Ngoài nhiệt độ mà quá trình oxy hóa tăng lên đáng kể, điểm nóng chảy của vật liệu cũng giới hạn nhiệt độ hoạt động của nó. Gốm sứ thường có điểm nóng chảy cao hơn lò sưởi kim loại.
3. Vật liệu làm linh kiện đốt nóng
Các vật liệu phổ biến nhất là hợp kim niken-crom, hợp kim sắt-crôm-nhôm, molypden silicide và cacbua silic. Những vật liệu này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao do khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Một nhóm khác bao gồm than chì, molypden, vonfram và tantali. Những vật liệu này bị oxy hóa ở nhiệt độ cao và chỉ được sử dụng trong môi trường chân không hoặc trong lò nung nơi không khí không có oxy.
- Hợp kim Niken-Crom (Ni-Cr)
Loại này là một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm nóng các bộ phận do tính dẻo, điện trở suất cao và khả năng chống oxy hóa ngay cả ở nhiệt độ cao. Thành phần phổ biến nhất của hợp kim niken-crom là 80/20 hoặc 80% niken, 20% crôm. Các chế phẩm khác có sẵn tùy thuộc vào nhà sản xuất. Do độ dẻo cao, nó thường được kéo thành dây khi được sử dụng làm bộ phận làm nóng. Một ứng dụng phổ biến thể hiện tính chất này là trên máy cắt bọt dây nóng. Nhiệt độ gia nhiệt tối đa đạt được bằng dây niken-crom là khoảng 1.100 đến 1.200°C.
- Hợp kim Sắt-Crom-Nhôm (Fe-Cr-Al)
Loại này được biết đến phổ biến dưới nhãn hiệu Kanthal. Hợp kim sắt-crom-nhôm Kanthal ferritic thường có thành phần hóa học từ 20 đến 24% crôm, 4-6% nhôm và sắt ở dạng cân bằng. Họp kim sắt-crom-nhôm được sử dụng vì tính mềm dẻo và trọng lực thấp hơn so với Ni-Cr. Chúng cũng có thể tạo ra nhiệt độ cao hơn dây niken-crom, khoảng 1.300 đến 1.400°C. Bằng cách sử dụng sắt làm kim loại cơ bản, hợp kim này ít biến động về giá hơn so với Ni-Cr, loại hợp kim có thành phần chủ yếu là niken. Nhược điểm của việc sử dụng hợp kim sắt-crom-nhôm là độ bền giảm ở nhiệt độ cao hơn.
Hợp kim sắt-crom-nhôm có thể được tạo ra tốt hơn bằng một quá trình được gọi là luyện kim bột. Trong quá trình này, phôi hợp kim được biến thành bột và được nén thành khuôn. Sau đó, nó được thiêu kết hoặc ép nóng (ép đẳng tĩnh nóng) trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ để tạo ra liên kết luyện kim mà không làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại. Chất phân tán được thêm vào hỗn hợp hợp kim để củng cố các tính chất cơ học của vật liệu nhằm tạo thêm độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao hơn.
- Molybdenum Disilicide (MoSi2)
Molypden disilicide là một gốm kim loại chịu lửa (hỗn hợp gốm-kim loại) chủ yếu được sử dụng làm vật liệu bộ phận gia nhiệt. Đây là một vật liệu mong muốn cho lò nhiệt độ cao do điểm nóng chảy cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Các bộ phận làm nóng molypden silicide được sản xuất bởi các quy trình sử dụng nhiều năng lượng khác nhau như hợp kim cơ học, tổng hợp đốt cháy, tổng hợp sốc và ép đẳng tĩnh nóng.
Máy sưởi loại MoSi₂ có thể đạt được nhiệt độ gia nhiệt lên tới 1.900°C. Nhược điểm của việc sử dụng chất diệt cỏ molypden là độ bền thấp ở điều kiện môi trường xung quanh và độ rão ở nhiệt độ cao. Độ giòn của nó ở nhiệt độ phòng đòi hỏi phải xử lý rất cẩn thận. Độ dẻo dai tăng lên đạt được ở nhiệt độ chuyển tiếp giòn-dẻo của nó khoảng 1.000°C. Mặt khác, tốc độ rão cao hơn làm cho bộ phận làm nóng dễ bị biến dạng ở nhiệt độ cao. Loại phần tử MoSi2 phổ biến nhất là thiết kế kẹp tóc 2 chân, thường được treo qua mái lò và nằm xung quanh các bức tường lò. Các hình dạng khác có sẵn thường được kết hợp với vật liệu cách nhiệt gốm cung cấp cả hỗ trợ cơ học và cách nhiệt như một gói tích hợp.
- Cacbua silic (SiC)
Đây là loại gốm được sản xuất bằng quá trình tái kết tinh hoặc phản ứng liên kết các hạt SiC ở nhiệt độ trên 2.100°C. Các bộ phận gia nhiệt cacbua silic là các vật thể xốp (thường là 8-25%) trong đó không khí lò có thể phản ứng qua mặt cắt ngang của vật liệu. Toàn bộ phần tử gia nhiệt có thể bị oxy hóa dần dần dẫn đến sự gia tăng đặc tính điện trở của các phần tử theo thời gian (thường được gọi là "lão hóa") Một nguồn cung cấp điện áp thay đổi thường được yêu cầu để duy trì công suất đầu ra mong muốn từ các phần tử dần dần tăng điện áp cho các phần tử trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Sự lão hóa này cuối cùng sẽ hạn chế tuổi thọ và hiệu suất của bộ phận làm nóng.
- Cacbua silic có nhiều đặc tính khiến nó phù hợp để chế tạo các bộ phận làm nóng ở nhiệt độ sử dụng rất cao. Gốm này không có pha lỏng. Có nghĩa là các bộ phận sẽ không bị chùng xuống hoặc biến dạng do rão ở bất kỳ nhiệt độ nào và không cần hỗ trợ bên trong lò. SiC trực tiếp thăng hoa ở nhiệt độ khoảng 2.700°C. Hơn nữa, nó trơ về mặt hóa học đối với hầu hết các chất lỏng của quá trình và có độ cứng cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp. Lò sưởi cacbua silic có thể đạt được nhiệt độ gia nhiệt khoảng 1.600 đến 1.700°C.
- Than chì
Than chì là một khoáng chất bao gồm carbon trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc lục giác. Khoáng chất này, cũng là dạng tổng hợp của nó, là một chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Than chì có thể tạo ra nhiệt ở nhiệt độ lớn hơn 2.000°C. Ở nhiệt độ cao, điện trở của nó tăng lên đáng kể. Hơn nữa, nó có thể chịu được các cú sốc nhiệt và không bị giòn ngay cả sau các chu kỳ gia nhiệt và làm mát nhanh chóng. Nhược điểm chính của việc sử dụng than chì là xu hướng oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 500°C. Tiếp tục sử dụng ở phạm vi này cuối cùng dẫn đến việc tiêu thụ vật liệu. Các bộ phận làm nóng than chì thường được sử dụng trong các lò chân không nơi oxy và các loại khí khác được sơ tán khỏi buồng gia nhiệt. Việc không có oxy không chỉ ngăn chặn quá trình oxy hóa của kim loại nóng chảy mà còn cả bộ phận làm nóng.
- Molypden, Vonfram và Tantali
Đây là những kim loại chịu lửa có tính chất tương tự như than chì khi được sử dụng làm bộ phận làm nóng. Trong số các kim loại này, vonfram có nhiệt độ hoạt động cao nhất nhưng cũng đắt hơn. Về khả năng tồn tại, molypden phổ biến hơn vì nó rẻ nhất nhưng vẫn đắt hơn than chì. Giống như than chì, chúng chỉ có thể được sử dụng trong điều kiện chân không vì chúng có ái lực liên kết mạnh với oxy và thậm chí cả hydro và nitơ. Chúng bắt đầu bị oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 300 đến 500°C.
- Vật liệu có hệ số nhiệt dương (PTC)
Vật liệu PTC điển hình là cao su nhưng cũng có thể là gốm sứ. Cao su PTC được làm từ polydimethylsiloxane (PDMS) với các hạt nano carbon. Bộ gia nhiệt PTC có một đặc tính duy nhất trong đó bộ gia nhiệt duy trì hoặc hạn chế dòng điện bằng cách tăng điện trở khi nhiệt độ tăng. Điều này làm cho vật liệu an toàn và phù hợp để sử dụng trong quần áo. Ban đầu, lò sưởi sử dụng hết công suất và nóng lên do điện trở suất của nó. Điện trở của vật liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và sau đó hoạt động như một chất cách điện. Điều này đạt được mà không cần bất kỳ vòng phản hồi nào.
4. Các loại linh kiện đốt nóng
Chỉ riêng bộ phận làm nóng không bao gồm toàn bộ hệ thống sưởi ấm. Ngoài bộ phận làm nóng, một bộ gia nhiệt bao gồm các đầu cuối, dây dẫn, cách điện, bao bì, vỏ bọc và vòng đệm. Những máy sưởi này có nhiều hình thức và cấu hình khác nhau để phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Liệt kê dưới đây là các máy sưởi phổ biến nhất và các ứng dụng của chúng.
- Linh kiện đốt nóng không khí (Air Process Heaters): Như tên cho thấy, loại linh kiện này được sử dụng để làm nóng luồng không khí. Linh kiện đốt nóng không khí về cơ bản là một ống hoặc ống được làm nóng trong đó một đầu là để đưa khí lạnh vào trong khi đầu kia là lối thoát khí nóng. Dọc theo các bức tường của đường ống là các cuộn dây của các bộ phận làm nóng được cách nhiệt bằng gốm và các miếng đệm không dẫn điện. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng có lưu lượng cao, áp suất thấp. Các ứng dụng cho máy sưởi quy trình không khí là co nhiệt, cán mỏng, kích hoạt hoặc đóng rắn chất kết dính, sấy khô, nướng, v.v.
Theo một nghĩa nào đó, các linh kiện đốt nóng bằng điện có hiệu suất gần như 100% vì tất cả năng lượng được cung cấp đều được chuyển đổi thành dạng mong muốn. Các linh kiện đốt nóng có thể không chỉ dẫn nhiệt mà còn truyền năng lượng thông qua ánh sáng và bức xạ. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng với điện trở lý tưởng. Tổn thất nhỏ có thể bắt nguồn từ điện dung và độ tự cảm vốn có của vật liệu chuyển đổi năng lượng điện thành điện trường và từ trường tương ứng. Xem xét toàn bộ hệ thống gia nhiệt, tổn thất là do sự tản nhiệt ra môi trường bên ngoài từ chất lỏng của quá trình hoặc từ chính thiết bị gia nhiệt. Như vậy, hệ thống phải được cách ly để tận dụng hết lượng nhiệt sinh ra.
2. Các thuộc tính của linh kiện đốt nóng
Hầu như tất cả các chất dẫn điện đều có khả năng sinh nhiệt khi có dòng điện chạy qua. Tuy nhiên, không phải tất cả các dây dẫn đều phù hợp để chế tạo thành các linh kiện đốt nóng. Sự kết hợp đúng đắn của các tính chất điện, cơ học và hóa học là bắt buộc. Liệt kê dưới đây là các thuộc tính quan trọng đối với thiết kế linh kiện đốt nóng.
- Điện trở suất: Để sinh nhiệt, bộ phận đốt nóng phải có đủ điện trở. Tuy nhiên, điện trở không được cao đến mức trở thành chất cách điện. Điện trở bằng điện trở suất nhân với chiều dài của dây dẫn chia cho tiết diện của dây dẫn. Đối với một mặt cắt nhất định, để có một dây dẫn ngắn hơn, một vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng.
- Khả năng chống oxy hóa: Nhiệt thường đẩy nhanh quá trình oxy hóa ở cả kim loại và gốm sứ. Quá trình oxy hóa có thể tiêu thụ linh kiện đốt nóng và có thể làm giảm công suất hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc của bộ phận. Điều này làm hạn chế tuổi thọ của linh kiện đốt nóng. Đối với các linh kiện đốt nóng bằng kim loại, việc tạo hợp kim với một oxit cũ giúp chống lại quá trình oxy hóa bằng cách tạo thành một lớp thụ động. Đối với các phần tử gia nhiệt bằng sứ, các lớp bảo vệ chống oxi hóa bằng SiO2 hoặc Al2O3 là phổ biến nhất. Các loại phần tử gia nhiệt không phù hợp để sử dụng trong môi trường oxy hóa, chẳng hạn như than chì, thường được sử dụng trong lò chân không hoặc lò chứa khí không khí không oxy hóa, chẳng hạn như H2, N2, Ar hoặc He, trong đó buồng gia nhiệt được hút chân không không khí .
- Hệ số điện trở nhiệt độ: Lưu ý rằng điện trở suất của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Trong hầu hết các dây dẫn, khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng. Hiện tượng này có ảnh hưởng đáng kể đến một số vật liệu hơn những vật liệu khác. Hệ số điện trở nhiệt độ cao hơn chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến nhiệt. Để tạo nhiệt, thường tốt hơn là có giá trị thấp hơn. Mặc dù trong một số trường hợp có thể dự đoán chính xác sự thay đổi của điện trở, nhưng mong muốn tăng mạnh điện trở để cung cấp nhiều năng lượng hơn. Để làm cho hệ thống điều chỉnh theo điện trở suất thay đổi, hệ thống điều khiển hoặc phản hồi được sử dụng.
- Tính chất cơ học: Các linh kiện đốt nóng cứng có thể biến dạng khi sử dụng ở nhiệt độ cao. Khi vật liệu tiến đến giai đoạn nóng chảy hoặc kết tinh lại, vật liệu có thể yếu đi và biến dạng dễ dàng hơn so với trạng thái của nó ở nhiệt độ phòng. Một linh kiện đốt nóng tốt có thể duy trì hình thức của nó ngay cả ở nhiệt độ cao. Một lưu ý khác, độ dẻo cũng là một tính chất cơ học mong muốn, đặc biệt là đối với các linh kiện đốt nóng bằng kim loại. Tính dẻo cho phép vật liệu được kéo thành dây và tạo thành hình mà không ảnh hưởng đến độ bền kéo của nó.
- Điểm nóng chảy: Ngoài nhiệt độ mà quá trình oxy hóa tăng lên đáng kể, điểm nóng chảy của vật liệu cũng giới hạn nhiệt độ hoạt động của nó. Gốm sứ thường có điểm nóng chảy cao hơn lò sưởi kim loại.
3. Vật liệu làm linh kiện đốt nóng
Các vật liệu phổ biến nhất là hợp kim niken-crom, hợp kim sắt-crôm-nhôm, molypden silicide và cacbua silic. Những vật liệu này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao do khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Một nhóm khác bao gồm than chì, molypden, vonfram và tantali. Những vật liệu này bị oxy hóa ở nhiệt độ cao và chỉ được sử dụng trong môi trường chân không hoặc trong lò nung nơi không khí không có oxy.
- Hợp kim Niken-Crom (Ni-Cr)
Loại này là một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm nóng các bộ phận do tính dẻo, điện trở suất cao và khả năng chống oxy hóa ngay cả ở nhiệt độ cao. Thành phần phổ biến nhất của hợp kim niken-crom là 80/20 hoặc 80% niken, 20% crôm. Các chế phẩm khác có sẵn tùy thuộc vào nhà sản xuất. Do độ dẻo cao, nó thường được kéo thành dây khi được sử dụng làm bộ phận làm nóng. Một ứng dụng phổ biến thể hiện tính chất này là trên máy cắt bọt dây nóng. Nhiệt độ gia nhiệt tối đa đạt được bằng dây niken-crom là khoảng 1.100 đến 1.200°C.
- Hợp kim Sắt-Crom-Nhôm (Fe-Cr-Al)
Loại này được biết đến phổ biến dưới nhãn hiệu Kanthal. Hợp kim sắt-crom-nhôm Kanthal ferritic thường có thành phần hóa học từ 20 đến 24% crôm, 4-6% nhôm và sắt ở dạng cân bằng. Họp kim sắt-crom-nhôm được sử dụng vì tính mềm dẻo và trọng lực thấp hơn so với Ni-Cr. Chúng cũng có thể tạo ra nhiệt độ cao hơn dây niken-crom, khoảng 1.300 đến 1.400°C. Bằng cách sử dụng sắt làm kim loại cơ bản, hợp kim này ít biến động về giá hơn so với Ni-Cr, loại hợp kim có thành phần chủ yếu là niken. Nhược điểm của việc sử dụng hợp kim sắt-crom-nhôm là độ bền giảm ở nhiệt độ cao hơn.
Hợp kim sắt-crom-nhôm có thể được tạo ra tốt hơn bằng một quá trình được gọi là luyện kim bột. Trong quá trình này, phôi hợp kim được biến thành bột và được nén thành khuôn. Sau đó, nó được thiêu kết hoặc ép nóng (ép đẳng tĩnh nóng) trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ để tạo ra liên kết luyện kim mà không làm tan chảy hoàn toàn bột kim loại. Chất phân tán được thêm vào hỗn hợp hợp kim để củng cố các tính chất cơ học của vật liệu nhằm tạo thêm độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao hơn.
- Molybdenum Disilicide (MoSi2)
Molypden disilicide là một gốm kim loại chịu lửa (hỗn hợp gốm-kim loại) chủ yếu được sử dụng làm vật liệu bộ phận gia nhiệt. Đây là một vật liệu mong muốn cho lò nhiệt độ cao do điểm nóng chảy cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Các bộ phận làm nóng molypden silicide được sản xuất bởi các quy trình sử dụng nhiều năng lượng khác nhau như hợp kim cơ học, tổng hợp đốt cháy, tổng hợp sốc và ép đẳng tĩnh nóng.
Máy sưởi loại MoSi₂ có thể đạt được nhiệt độ gia nhiệt lên tới 1.900°C. Nhược điểm của việc sử dụng chất diệt cỏ molypden là độ bền thấp ở điều kiện môi trường xung quanh và độ rão ở nhiệt độ cao. Độ giòn của nó ở nhiệt độ phòng đòi hỏi phải xử lý rất cẩn thận. Độ dẻo dai tăng lên đạt được ở nhiệt độ chuyển tiếp giòn-dẻo của nó khoảng 1.000°C. Mặt khác, tốc độ rão cao hơn làm cho bộ phận làm nóng dễ bị biến dạng ở nhiệt độ cao. Loại phần tử MoSi2 phổ biến nhất là thiết kế kẹp tóc 2 chân, thường được treo qua mái lò và nằm xung quanh các bức tường lò. Các hình dạng khác có sẵn thường được kết hợp với vật liệu cách nhiệt gốm cung cấp cả hỗ trợ cơ học và cách nhiệt như một gói tích hợp.
- Cacbua silic (SiC)
Đây là loại gốm được sản xuất bằng quá trình tái kết tinh hoặc phản ứng liên kết các hạt SiC ở nhiệt độ trên 2.100°C. Các bộ phận gia nhiệt cacbua silic là các vật thể xốp (thường là 8-25%) trong đó không khí lò có thể phản ứng qua mặt cắt ngang của vật liệu. Toàn bộ phần tử gia nhiệt có thể bị oxy hóa dần dần dẫn đến sự gia tăng đặc tính điện trở của các phần tử theo thời gian (thường được gọi là "lão hóa") Một nguồn cung cấp điện áp thay đổi thường được yêu cầu để duy trì công suất đầu ra mong muốn từ các phần tử dần dần tăng điện áp cho các phần tử trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Sự lão hóa này cuối cùng sẽ hạn chế tuổi thọ và hiệu suất của bộ phận làm nóng.
- Cacbua silic có nhiều đặc tính khiến nó phù hợp để chế tạo các bộ phận làm nóng ở nhiệt độ sử dụng rất cao. Gốm này không có pha lỏng. Có nghĩa là các bộ phận sẽ không bị chùng xuống hoặc biến dạng do rão ở bất kỳ nhiệt độ nào và không cần hỗ trợ bên trong lò. SiC trực tiếp thăng hoa ở nhiệt độ khoảng 2.700°C. Hơn nữa, nó trơ về mặt hóa học đối với hầu hết các chất lỏng của quá trình và có độ cứng cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp. Lò sưởi cacbua silic có thể đạt được nhiệt độ gia nhiệt khoảng 1.600 đến 1.700°C.
- Than chì
Than chì là một khoáng chất bao gồm carbon trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc lục giác. Khoáng chất này, cũng là dạng tổng hợp của nó, là một chất dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Than chì có thể tạo ra nhiệt ở nhiệt độ lớn hơn 2.000°C. Ở nhiệt độ cao, điện trở của nó tăng lên đáng kể. Hơn nữa, nó có thể chịu được các cú sốc nhiệt và không bị giòn ngay cả sau các chu kỳ gia nhiệt và làm mát nhanh chóng. Nhược điểm chính của việc sử dụng than chì là xu hướng oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 500°C. Tiếp tục sử dụng ở phạm vi này cuối cùng dẫn đến việc tiêu thụ vật liệu. Các bộ phận làm nóng than chì thường được sử dụng trong các lò chân không nơi oxy và các loại khí khác được sơ tán khỏi buồng gia nhiệt. Việc không có oxy không chỉ ngăn chặn quá trình oxy hóa của kim loại nóng chảy mà còn cả bộ phận làm nóng.
- Molypden, Vonfram và Tantali
Đây là những kim loại chịu lửa có tính chất tương tự như than chì khi được sử dụng làm bộ phận làm nóng. Trong số các kim loại này, vonfram có nhiệt độ hoạt động cao nhất nhưng cũng đắt hơn. Về khả năng tồn tại, molypden phổ biến hơn vì nó rẻ nhất nhưng vẫn đắt hơn than chì. Giống như than chì, chúng chỉ có thể được sử dụng trong điều kiện chân không vì chúng có ái lực liên kết mạnh với oxy và thậm chí cả hydro và nitơ. Chúng bắt đầu bị oxy hóa ở nhiệt độ khoảng 300 đến 500°C.
- Vật liệu có hệ số nhiệt dương (PTC)
Vật liệu PTC điển hình là cao su nhưng cũng có thể là gốm sứ. Cao su PTC được làm từ polydimethylsiloxane (PDMS) với các hạt nano carbon. Bộ gia nhiệt PTC có một đặc tính duy nhất trong đó bộ gia nhiệt duy trì hoặc hạn chế dòng điện bằng cách tăng điện trở khi nhiệt độ tăng. Điều này làm cho vật liệu an toàn và phù hợp để sử dụng trong quần áo. Ban đầu, lò sưởi sử dụng hết công suất và nóng lên do điện trở suất của nó. Điện trở của vật liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và sau đó hoạt động như một chất cách điện. Điều này đạt được mà không cần bất kỳ vòng phản hồi nào.
4. Các loại linh kiện đốt nóng
Chỉ riêng bộ phận làm nóng không bao gồm toàn bộ hệ thống sưởi ấm. Ngoài bộ phận làm nóng, một bộ gia nhiệt bao gồm các đầu cuối, dây dẫn, cách điện, bao bì, vỏ bọc và vòng đệm. Những máy sưởi này có nhiều hình thức và cấu hình khác nhau để phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Liệt kê dưới đây là các máy sưởi phổ biến nhất và các ứng dụng của chúng.
- Linh kiện đốt nóng không khí (Air Process Heaters): Như tên cho thấy, loại linh kiện này được sử dụng để làm nóng luồng không khí. Linh kiện đốt nóng không khí về cơ bản là một ống hoặc ống được làm nóng trong đó một đầu là để đưa khí lạnh vào trong khi đầu kia là lối thoát khí nóng. Dọc theo các bức tường của đường ống là các cuộn dây của các bộ phận làm nóng được cách nhiệt bằng gốm và các miếng đệm không dẫn điện. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng có lưu lượng cao, áp suất thấp. Các ứng dụng cho máy sưởi quy trình không khí là co nhiệt, cán mỏng, kích hoạt hoặc đóng rắn chất kết dính, sấy khô, nướng, v.v.
- Bộ gia nhiệt hộp mực (Cartridge Heaters): Trong loại này, dây điện trở được cuộn quanh lõi gốm, thường được làm bằng oxit magiê được nén chặt. Các cấu hình hình chữ nhật cũng có sẵn trong đó các cuộn dây điện trở đi qua ba đến năm lần dọc theo chiều dài của hộp mực. Dây điện trở hoặc bộ phận làm nóng được đặt gần các bức tường của vật liệu vỏ bọc để truyền nhiệt tối đa. Để bảo vệ các bộ phận bên trong, vỏ bọc thường được làm bằng vật liệu chống ăn mòn như thép không gỉ. Các dây dẫn thường linh hoạt với cả hai đầu cuối của chúng nằm ở một đầu của hộp mực. Bộ gia nhiệt hộp mực được sử dụng trong gia nhiệt khuôn hoặc khuôn, gia nhiệt chất lỏng (thiết bị gia nhiệt ngâm) và gia nhiệt bề mặt.
- Linh kiện đốt nóng hình ống (Tubular Heaters): Bộ phận bên trong của bộ gia nhiệt hình ống cũng giống như bộ gia nhiệt hộp mực. Sự khác biệt chính của nó so với bộ gia nhiệt hộp mực là các đầu cực chì nằm ở hai đầu đối diện của ống. Toàn bộ cấu trúc hình ống có thể được uốn thành các dạng khác nhau để phù hợp với sự phân bố nhiệt theo yêu cầu của không gian hoặc bề mặt được làm nóng. Ngoài ra, những máy sưởi này có thể có các cánh tản nhiệt được liên kết cơ học với bề mặt vỏ bọc để hỗ trợ truyền nhiệt hiệu quả. Máy sưởi hình ống cũng linh hoạt như máy sưởi hộp mực và được sử dụng trong các ứng dụng tương tự.
- Máy sưởi băng (Band Heaters): Những máy sưởi này được thiết kế để quấn quanh các bề mặt kim loại hình trụ hoặc vật chứa như ống, thùng, trống, máy đùn, v.v. Chúng có các mấu khóa bắt vít để kẹp chắc chắn vào bề mặt của thùng chứa. Bên trong dải, lò sưởi là một dây điện trở mỏng hoặc ruy băng thường được cách nhiệt bằng một lớp mica. Vỏ bọc được làm bằng thép không gỉ hoặc đồng thau. Một ưu điểm khác của việc sử dụng bộ gia nhiệt băng tần là nó gián tiếp làm nóng chất lỏng bên trong bình. Điều này có nghĩa là bộ gia nhiệt không phải chịu bất kỳ sự tấn công hóa học nào từ chất lỏng xử lý. Khả năng đánh lửa cũng được ngăn chặn khi được sử dụng cho dịch vụ dầu và chất bôi trơn.
- Bộ gia nhiệt dạng dải (Strip Heaters): Loại bộ gia nhiệt này có dạng phẳng và hình chữ nhật và được bắt vít trên bề mặt cần gia nhiệt. Các bộ phận bên trong của nó tương tự như máy sưởi băng tần. Tuy nhiên, vật liệu cách điện, ngoài mica, có thể là gốm như oxit magiê và sợi thủy tinh. Công dụng điển hình của bộ gia nhiệt dạng dải là gia nhiệt bề mặt của khuôn, khuôn, tấm ép, bể chứa, ống dẫn, v.v. Ngoài gia nhiệt bề mặt, chúng còn có thể được sử dụng để gia nhiệt không khí hoặc chất lỏng bằng cách có các bề mặt có vây. Máy sưởi dải có vây được nhìn thấy trong lò nướng và máy sưởi không gian.
- Lò sưởi lá khắc (Etched Foil Heaters): Lò sưởi lá khắc cũng có thể được gọi là lò sưởi màng mỏng. Trong loại này, vật liệu làm nóng điện trở được khắc và liên kết trên một lá thường làm bằng nhôm. Nếu cần tính linh hoạt và khả năng chống rách cao hơn, chất nền cũng có thể được làm bằng cao su tổng hợp chịu nhiệt hoặc polyurethane nhiệt dẻo (TPU). Ngoài tính linh hoạt, một ưu điểm khác là khoảng cách chặt chẽ của các bộ phận làm nóng. Đây là ưu điểm vốn có của phương pháp ăn mòn quang hóa. Có thể đạt được sự phân phối nhiệt đều với mật độ nhiệt lớn hơn ở các dạng nhỏ như vậy. Các ứng dụng của nó chuyên biệt hơn so với các máy sưởi dây thông thường. Lò sưởi lá khắc thường được nhìn thấy trong các thiết bị y tế, thiết bị điện tử và thiết bị đo đạc, hàng không vũ trụ và quần áo. Một mặt có thể được lót bằng một lớp dính để dễ dàng gắn.
- Máy sưởi gốm (Ceramic Heaters): Những máy sưởi này sử dụng gốm có điểm nóng chảy cao, độ ổn định nhiệt cao, độ bền nhiệt độ cao, độ trơ hóa học tương đối cao và công suất nhiệt nhỏ. Lưu ý rằng những thứ này khác với gốm được sử dụng làm vật liệu cách điện. Do đặc tính dẫn nhiệt tốt, nó được sử dụng để dẫn và phân phối nhiệt từ bộ phận làm nóng. Máy sưởi gốm đáng chú ý là silicon nitride và nhôm nitride. Chúng thường được sử dụng để sưởi ấm nhanh chóng như đã thấy trên phích cắm phát sáng và bộ phận đánh lửa. Tuy nhiên, khi trải qua các chu trình làm nóng và làm lạnh nhanh ở nhiệt độ cao, vật liệu dễ bị nứt do mỏi do ứng suất nhiệt gây ra. Một loại máy sưởi gốm đặc biệt là gốm PTC. Loại này có thể tự điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng của nó, sau đó ngăn không cho nó trở nên nóng đỏ.
- Máy sưởi sợi gốm (Ceramic Fiber Heaters): Trong loại máy sưởi này, sợi gốm được sử dụng làm chất cách điện để tập trung nhiệt vào bề mặt được làm nóng để tránh thất thoát hệ thống. Các miếng đệm bằng sợi gốm có một cuộn dây điện trở ở một bên. Mặt này được liên kết trên bề mặt được làm nóng có thể đạt tới 1.200°C.
e) Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn Bộ gia nhiệt
Các bộ phận làm nóng về mặt kỹ thuật hoạt động theo cùng một cách nhưng một số yếu tố quyết định hiệu suất và tuổi thọ của nó. Thông số kỹ thuật đặt hàng lò sưởi điển hình là công suất hoặc công suất, nhiệt độ vận hành tối đa, loại chất lỏng xử lý, vật liệu vỏ bọc và nguồn điện (điện áp và tần số). Tuy nhiên, có những yếu tố bổ sung cần được xem xét như lưu lượng chất lỏng và kiểm soát nhiệt độ.
- Mật độ watt: Mật độ watt là nhiệt lượng được cung cấp bởi một bộ phận làm nóng trên một đơn vị diện tích. Mật độ watt phù hợp phải được sử dụng cho một ứng dụng cụ thể để tận dụng tối đa tuổi thọ của thiết bị sưởi. Lưu ý rằng đối với một công suất nhất định, cả máy sưởi mật độ cao và mật độ thấp sẽ cung cấp cùng một lượng nhiệt nhưng ở các nhiệt độ khác nhau. Các phần tử mật độ cao có thể đạt đến nhiệt độ cao hơn nhiều, dẫn đến cháy sớm hoặc hỏng phần tử. Khi chọn một bộ phận làm nóng, hãy kiểm tra mật độ watt được khuyến nghị của nhà sản xuất cho một ứng dụng cụ thể.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ hoạt động mục tiêu ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ watt. Phải có sự cân bằng giữa hai yếu tố này. Khi thiết kế bộ gia nhiệt quy trình, nhiệt độ được xác định trước tiên, nhiệt độ này thường là một tham số quy trình mà hệ thống yêu cầu.
- Nguồn điện: Bộ phận làm nóng phải có khả năng hoạt động với nguồn điện có sẵn. Kiểm tra định mức điện áp thường là 220V. Khi chọn công suất mục tiêu, hãy xác minh cường độ dòng điện được tạo ra. Cẩn thận không vượt quá điểm ngắt của bộ ngắt mạch nguồn điện hoặc định mức của cáp nguồn.
- Dòng chất lỏng: Từ trực giác, chất lỏng ứ đọng dễ làm nóng với nhiệt độ được kiểm soát hơn chất lỏng chảy. Không khí hoặc các loại khí khác thường không hấp thụ nhiệt nhanh do mật độ thấp. Một giải pháp sẽ là làm chậm dòng chảy, nhưng hầu hết thời gian, đây không phải là một lựa chọn. Do đó, máy sưởi có diện tích bề mặt lớn là bắt buộc. Bề mặt hoàn thiện và cuộn dây dài (bộ phận làm nóng mật độ thấp) là những tính năng thông thường của máy sưởi không khí.
- Vị trí cảm biến nhiệt độ: Máy sưởi thông thường đi kèm với cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển. Trong hầu hết các ứng dụng, thiết bị cảm biến chỉ đo nhiệt độ của chất lỏng xử lý. Lưu ý rằng điều này thường không đại diện cho nhiệt độ phần tử gia nhiệt thực tế. Trước khi lắp đặt thiết bị sưởi ấm và thiết bị cảm biến nhiệt độ, hãy kiểm tra xem vị trí của nó có phù hợp với thiết bị sưởi ấm hay không. Nếu cảm biến ở quá xa, nhiệt độ phản ánh có thể thấp hơn nhiều do tản nhiệt và tốc độ truyền nhiệt thấp. Điều này có thể dẫn đến nhiệt độ rất cao có thể đốt cháy bộ phận làm nóng.
- Ăn mòn: Ăn mòn có thể từ chất lỏng của quá trình hoặc môi trường bên ngoài. Vật liệu vỏ bọc bảo vệ bộ phận làm nóng, dây dẫn và chất cách điện khỏi sự tấn công của hóa chất. Do đó, vỏ bọc phải có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao đồng thời có khả năng chống ăn mòn. Vật liệu vỏ bọc được sử dụng rộng rãi là thép không gỉ, đồng thau, đồng và các hợp kim đặc biệt khác như Monel và Incoloy. Ngoài ra, tính toàn vẹn của vỏ bọc và niêm phong đầu cuối phải đủ cho ứng dụng. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe, hàn kín là lựa chọn tốt nhất trong việc cung cấp sự bảo vệ hoàn toàn khỏi chất lỏng của quá trình.
- Máy sưởi sợi gốm (Ceramic Fiber Heaters): Trong loại máy sưởi này, sợi gốm được sử dụng làm chất cách điện để tập trung nhiệt vào bề mặt được làm nóng để tránh thất thoát hệ thống. Các miếng đệm bằng sợi gốm có một cuộn dây điện trở ở một bên. Mặt này được liên kết trên bề mặt được làm nóng có thể đạt tới 1.200°C.
e) Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn Bộ gia nhiệt
Các bộ phận làm nóng về mặt kỹ thuật hoạt động theo cùng một cách nhưng một số yếu tố quyết định hiệu suất và tuổi thọ của nó. Thông số kỹ thuật đặt hàng lò sưởi điển hình là công suất hoặc công suất, nhiệt độ vận hành tối đa, loại chất lỏng xử lý, vật liệu vỏ bọc và nguồn điện (điện áp và tần số). Tuy nhiên, có những yếu tố bổ sung cần được xem xét như lưu lượng chất lỏng và kiểm soát nhiệt độ.
- Mật độ watt: Mật độ watt là nhiệt lượng được cung cấp bởi một bộ phận làm nóng trên một đơn vị diện tích. Mật độ watt phù hợp phải được sử dụng cho một ứng dụng cụ thể để tận dụng tối đa tuổi thọ của thiết bị sưởi. Lưu ý rằng đối với một công suất nhất định, cả máy sưởi mật độ cao và mật độ thấp sẽ cung cấp cùng một lượng nhiệt nhưng ở các nhiệt độ khác nhau. Các phần tử mật độ cao có thể đạt đến nhiệt độ cao hơn nhiều, dẫn đến cháy sớm hoặc hỏng phần tử. Khi chọn một bộ phận làm nóng, hãy kiểm tra mật độ watt được khuyến nghị của nhà sản xuất cho một ứng dụng cụ thể.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ hoạt động mục tiêu ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ watt. Phải có sự cân bằng giữa hai yếu tố này. Khi thiết kế bộ gia nhiệt quy trình, nhiệt độ được xác định trước tiên, nhiệt độ này thường là một tham số quy trình mà hệ thống yêu cầu.
- Nguồn điện: Bộ phận làm nóng phải có khả năng hoạt động với nguồn điện có sẵn. Kiểm tra định mức điện áp thường là 220V. Khi chọn công suất mục tiêu, hãy xác minh cường độ dòng điện được tạo ra. Cẩn thận không vượt quá điểm ngắt của bộ ngắt mạch nguồn điện hoặc định mức của cáp nguồn.
- Dòng chất lỏng: Từ trực giác, chất lỏng ứ đọng dễ làm nóng với nhiệt độ được kiểm soát hơn chất lỏng chảy. Không khí hoặc các loại khí khác thường không hấp thụ nhiệt nhanh do mật độ thấp. Một giải pháp sẽ là làm chậm dòng chảy, nhưng hầu hết thời gian, đây không phải là một lựa chọn. Do đó, máy sưởi có diện tích bề mặt lớn là bắt buộc. Bề mặt hoàn thiện và cuộn dây dài (bộ phận làm nóng mật độ thấp) là những tính năng thông thường của máy sưởi không khí.
- Vị trí cảm biến nhiệt độ: Máy sưởi thông thường đi kèm với cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển. Trong hầu hết các ứng dụng, thiết bị cảm biến chỉ đo nhiệt độ của chất lỏng xử lý. Lưu ý rằng điều này thường không đại diện cho nhiệt độ phần tử gia nhiệt thực tế. Trước khi lắp đặt thiết bị sưởi ấm và thiết bị cảm biến nhiệt độ, hãy kiểm tra xem vị trí của nó có phù hợp với thiết bị sưởi ấm hay không. Nếu cảm biến ở quá xa, nhiệt độ phản ánh có thể thấp hơn nhiều do tản nhiệt và tốc độ truyền nhiệt thấp. Điều này có thể dẫn đến nhiệt độ rất cao có thể đốt cháy bộ phận làm nóng.
- Ăn mòn: Ăn mòn có thể từ chất lỏng của quá trình hoặc môi trường bên ngoài. Vật liệu vỏ bọc bảo vệ bộ phận làm nóng, dây dẫn và chất cách điện khỏi sự tấn công của hóa chất. Do đó, vỏ bọc phải có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao đồng thời có khả năng chống ăn mòn. Vật liệu vỏ bọc được sử dụng rộng rãi là thép không gỉ, đồng thau, đồng và các hợp kim đặc biệt khác như Monel và Incoloy. Ngoài ra, tính toàn vẹn của vỏ bọc và niêm phong đầu cuối phải đủ cho ứng dụng. Đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe, hàn kín là lựa chọn tốt nhất trong việc cung cấp sự bảo vệ hoàn toàn khỏi chất lỏng của quá trình.
