در این مقاله به بررسی جامع المنت‌های حرارتی پرداخته شده است. به ادامه مطلب بپردازید تا بیشتر با موارد زیر آشنا شوید:
تعریف المنت حرارتی و نحوه عملکرد آن
ویژگی‌های المنت حرارتی
مواد مختلف المنت‌های حرارتی
انواع المنت‌های حرارتی
و بسیاری از مطالب جذاب دیگر…
فهرست
فصل اول: المنت حرارتی چیست؟
المنت حرارتی، ابزاری است که انرژی الکتریکی را مستقیما به گرما یا انرژی حرارتی تبدیل می‌کند با استفاده از یک اصل به نام گرمایش ژول. گرمایش ژول پدیده‌ای است که در آن یک هادی به دلیل جریان الکتریکی، گرما را ایجاد می‌کند. زمانی که جریان الکتریکی از ماده عبور می‌کند، الکترون‌ها یا حامل‌های بار با یون‌ها یا اتم‌های هادی برخورد می‌کنند و این برخورد به صورت اصطکاک در سطح اتمی ظاهر می‌شود. این اصطکاک سپس به صورت گرما ظاهر می‌شود. قانون اول ژول (قانون ژول-لنتز) به منظور توصیف مقدار گرما استفاده می‌شود که با جریان الکتریکی تولید می‌شود:
\[ P = IV \] یا \[ P =I²R \]
بر اساس این معادلات، مقدار گرمای تولید شده وابسته به جریان و ولتاژ یا مقاومت هادی است. در طراحی المنت‌های حرارتی، مقاومت عامل مهم‌تری است.
در تمام مواد هادی، گرمایش ژول با شدت‌های متفاوت مشاهده می‌شود، به جز یک نوع خاص از مواد به نام فوق‌هادی‌ها. به طور کلی، در مواد هادی الکتریکی، گرما کمتری تولید می‌شود، زیرا حامل‌های بار به راحتی می‌توانند عبور کنند؛ در حالی که برای مواد با مقاومت الکتریکی بالا، گرمای بیشتری تولید می‌شود. فوق‌هادی‌ها، از طرف دیگر، اجازه جریان الکتریکی را می‌دهند اما هیچ گرمایی تولید نمی‌کنند. معمولاً، گرما از هادی‌ها به عنوان اتلاف انرژی دسته‌بندی می‌شود.
مخزن ذخیره سازی گرما با عایق و ترموستات
المنت‌های حرارتی الکتریکی، در واقع، تقریباً ۱۰۰٪ کارآمد هستند، زیرا تمام انرژی تأمین شده به شکل مورد نظر تبدیل می‌شود. المنت‌ها نه تنها گرما را منتقل می‌کنند بلکه انرژی را از طریق نور و تابش نیز منتقل می‌کنند. ولی این فقط برای مقاومت‌های ایده‌آل صحیح است. اتلاف‌های کوچک می‌تواند از خازن و اندوکتانس ذاتی ماده نشأت گیرد، که انرژی الکتریکی را به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تبدیل می‌کند. با در نظر گرفتن کل سیستم گرمایش، اتلاف‌ها از تبخیر گرما به محیط خارجی است. بنابراین، سیستم باید جدا شود تا تمام گرمای تولید شده استفاده شود.
فصل دوم: ویژگی‌های المنت حرارتی
هرچند تقریباً تمام هادی‌ها با عبور جریان الکتریکی قادر به تولید گرما هستند، ولی همه آن‌ها مناسب ساخت المنت‌های حرارتی نیستند. ترکیب مناسب ویژگی‌های الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی الزامی است. در زیر، ویژگی‌های مهم در طراحی المنت حرارتی آورده شده‌اند.
- مقاومت برقی: المنت حرارتی باید مقاومت الکتریکی کافی برای تولید گرما داشته باشد. اما مقاومت نباید به حدی زیاد باشد که به یک عایق تبدیل شود. مقاومت الکتریکی برابر با ضرب مقاومت در طول هادی تقسیم بر مقطع هادی است.
- مقاومت در برابر اکسیداسیون: گرما معمولاً اکسیداسیون را در متال‌ها و سرامیک‌ها تسریع می‌کند. این اکسیداسیون می‌تواند باعث کاهش ظرفیت یا تضعیف ساختار المنت شود.
- ضریب مقاومت دما: مقاومت مواد با تغییر دما تغییر می‌کند. در بیشتر هادی‌ها با افزایش دما، مقاومت نیز افزایش می‌یابد. این ویژگی در برخی مواد بیشتر اثر دارد.
- ویژگی‌های مکانیکی: المنت‌های سفت در دماهای بالا می‌توانند تغییر شکل دهند. المنت خوب حتی در دماهای بالا نیز می‌تواند شکل خود را حفظ کند.
- نقطه ذوب: به جز دمایی که اکسیداسیون به شدت افزایش می‌یابد، نقطه ذوب ماده نیز دمای کارکرد آن را محدود می‌کند.
فصل سوم: مواد المنت حرارتی
پس از بررسی ویژگی‌های مواد ذکر شده در فصل قبل، متوجه می‌شویم که تنها تعدادی از مواد به عنوان المنت‌های حرارتی مناسب هستند. رایج‌ترین این مواد عبارتند از: آلیاژ نیکل-کروم، آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم، سیلیسید مولیبدن، و کاربید سیلیسیوم. این مواد به دلیل مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا قابل استفاده هستند. یک گروه دیگر نیز وجود دارد که شامل گرافیت، مولیبدن، تنگستن، و تانتالوم می‌شود، که این مواد در دماهای بالا اکسید می‌شوند و تنها در محیط‌های خلاء یا کوره‌هایی استفاده می‌شوند که از اکسیژن خالی هستند.
- آلیاژ نیکل-کروم (Ni-Cr): از پرکاربردترین مواد المنت حرارتی به شمار می‌آید و به دلیل ویژگی‌هایی چون کشسانی، مقاومت برقی بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم (Fe-Cr-Al): با نام تجاری Kanthal شناخته می‌شود و به دلیل وزن سبک و قابلیت‌های گرمایشی خاص خود، گزینه‌ای محبوب است. در فروشگاه آذرنوین محصولاتی همچون انبر برقی و ذغال سرخ کن برقی موجود است که در ساخت آن‌ها از این نوع المنت استفاده شده است.
یک نوع المنت المنت آهن کروم نیکل
- سیلیسید مولیبدن (MoSi2): به عنوان یک ماده سرامیکی-فلزی، در کوره‌های با دمای بسیار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- کاربید سیلیسیوم (SiC): این ماده سرامیکی در دماهای بسیار بالا قابل استفاده است و به دلیل ویژگی‌های خاص خود به عنوان المنت حرارتی مورد توجه قرار گرفته است.
- گرافیت: یک ماده معدنی متشکل از کربن است که به عنوان یک هادی خوب برق و حرارت عمل می‌کند.
- مولیبدن، تنگستن، و تانتالوم: این فلزات به دلیل ویژگی‌های خاص خود در محیط‌های خاصی مانند محیط‌های خلاء استفاده می‌شوند.
- مواد با ضریب حرارتی مثبت (PTC): این مواد، از جمله الاستومرهای PTC و سرامیک‌های PTC، ویژگی منحصر به فردی دارند که با افزایش دما، مقاومت الکتریکی آن‌ها افزایش می‌یابد.
فصل چهارم: گستره گرماگیرها: شناخت و کاربردها
در این فصل به بررسی و توضیح المنت‌های حرارتی خواهیم پرداخت. این المنت‌ها تنها جزءی از سامانه گرمایشی را تشکیل نمی‌دهند. در واقع، به جانب المنت، یک دستگاه گرمایشی از موارد مختلفی مانند اتصالات، سیم‌های راهنما، عایق‌ها، بسته‌بندی‌ها، پوشش‌ها و مهرها تشکیل شده است.
- گرماگیرهای فرآیند هوا: از نام آن مشخص است که این گرماگیر برای گرمایش هوا طراحی شده است. این دستگاه به وسیله‌ی یک لوله یا انبوهی از المنت‌های حرارتی که دور آن‌ها به عنوان عایق استفاده می‌شود، هوای سرد را گرم می‌کند.
- المنت‌های کارتریجی: این نوع المنت با یک سیم مقاومتی که دور یک هسته‌ی سرامیکی پیچیده شده است، به راحتی قابل تشخیص است.
- المنت‌های لوله‌ای: مانند المنت‌های کارتریجی، اما با طراحی لوله‌ای است که به شکل‌ها و اندازه‌های متفاوتی می‌آید.
- المنت‌های باندی: این المنت‌ها به ویژه برای گرم کردن سطوح استوانه‌ای، مانند بشکه‌ها یا لوله‌ها، طراحی شده‌اند.
- المنت‌های نواری: با فرم مستطیلی خود، به آسانی روی سطوح مختلف نصب می‌شود.
- المنت‌های فویل حکاکی شده: از المنت‌های نازک با مواد مقاومتی است که روی فویل‌هایی مانند آلومینیوم حکاکی شده‌اند.
- المنت‌های سرامیکی: با استفاده از سرامیک‌هایی با نقطه ذوب بالا، این نوع المنت‌ها برای گرمایش سریع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- المنت‌های الیاف سرامیکی: از الیاف سرامیکی به عنوان یک عایق استفاده می‌شود تا گرما را به سطح مورد نظر منتقل کند و از دست دادن گرما جلوگیری کند.
هر یک از این المنت‌ها برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند و در محیط‌های مختلفی کاربرد دارند. انتخاب المنت مناسب بستگی به نوع کاربرد، محیط کاری، و دیگر معیارها دارد.
یک نوع گرماگیر فرآیند هوا
فصل پنجم: عوامل مهم در انتخاب یک گرماگیر
هر چند که المنت‌های حرارتی در اصل بر اساس یک مکانیزم عمل می‌کنند، ولی عوامل متعددی وجود دارد که بر عملکرد و طول عمر خدماتی آن‌ها تاثیر می‌گذارد. موارد معمولی که در زمان سفارش یک گرماگیر در نظر گرفته می‌شود شامل توان یا واتاژ (wattage)، حداکثر دمای عملکرد، نوع مایع فرآیند، مواد پوششی، و منبع تغذیه (واتاژ و فرکانس) است. اما علاوه بر این‌ها، عوامل دیگری هم چون جریان مایع و کنترل دما باید مورد توجه قرار گیرد.
- چگالی وات: چگالی وات نشان‌دهنده حرارتی است که توسط یک المنت حرارتی در هر واحد سطح تولید می‌شود.
- دما: دمای هدف به طور مستقیم بر چگالی وات تاثیر می‌گذارد.
- منبع تغذیه: المنت حرارتی باید قادر باشد با منبع تغذیه موجود کار کند.
- جریان مایع: بطور طبیعی، گرم کردن مایعات ساکن با دمای کنترل‌شده آسان‌تر است نسبت به مایعات در حال جریان.
- موقعیت حس‌گر دما: حس‌گر‌های دما و کنترل‌کننده‌ها از اجزاء مهم گرماگیرها هستند.
- زنگ‌زدگی: زنگ‌زدگی ممکن است از مایع فرآیند یا محیط خارجی ایجاد شود.
چندین نوع المنت مورد استفاده در بازار
با در نظر گرفتن این عوامل و مطمئن شدن از اینکه گرماگیر انتخابی با نیازهای خاص شما مطابقت دارد، می‌توانید از اجرای صحیح و طول عمر طولانی‌تر گرماگیر خود بهره‌برداری کنید.
نتیجه‌گیری:
المنت حرارتی موادی یا دستگاهی است که به صورت مستقیم انرژی الکتریکی را به انرژی گرمایی یا حرارتی تبدیل می‌کند، برمبنای اصول گرمایش ژول.
ویژگی‌های برجسته و مهم المنت‌های حرارتی شامل داشتن مقاومت الکتریکی مناسب، مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون، ضریب مقاومت دمای کم، سفتی بالا و نقطه ذوب بالا می‌شوند.
المنت‌های حرارتی متداول شامل آلیاژ نیکل-کروم، آلیاژ آهن-کروم-آلومینیوم، دی‌سیلیسید مولیبدن، و کاربید سیلیکون می‌باشند. در ادامه، گرافیت و سایر فلزات دیرذوب که معمولاً نرخ اکسیداسیون بالاتری دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
به غیر از المنت حرارتی، یک گرماگیر شامل اتصالات، سیم‌ها، عایق‌ها، بسته‌بندی، پوشش و مهرها می‌شود و این گرماگیرها به شکل‌ها و پیکربندی‌های متنوعی برای کاربردهای خاص تولید می‌شوند.
مشخصات متداول سفارش گرماگیر شامل توان یا واتاژ، حداکثر دمای عملکرد، نوع مایع فرآیند، مواد پوششی و منبع تغذیه (واتاژ و فرکانس) می‌باشد.