Elemento de aquecimento - Heating element
Um elemento de aquecimento converte energia elétrica em calor por meio do processo de aquecimento Joule . A corrente elétrica através do elemento encontra resistência , resultando no aquecimento do elemento. Ao contrário do efeito Peltier , este processo é independente da direção da corrente.
Tipos de elementos de aquecimento
Metal
Fio de resistência: Os elementos de aquecimento de resistência metálica podem ser de fio ou fita, reto ou enrolado. Eles são usados em dispositivos de aquecimento comuns, como torradeiras e secadores de cabelo , fornos para aquecimento industrial, aquecimento de piso, aquecimento de telhado, aquecimento de vias para derreter neve, secadores, etc. As classes mais comuns de materiais usados incluem:
- Nicromo : a maioria dos elementos de aquecimento de fio de resistência geralmente usa fio, fita ou tira de nicrômio 80/20 (80% níquel , 20% cromo ). O nicromo 80/20 é um material ideal, pois tem resistência relativamente alta e forma uma camada aderente de óxido de cromo quando é aquecido pela primeira vez. O material abaixo desta camada não oxida, evitando que o fio se quebre ou queime.
- Fios de Kanthal (FeCrAl)
- Ligas de cuproníquel (CuNi) para aquecimento em baixa temperatura
- Folha gravada: os elementos da folha gravada geralmente são feitos das mesmas ligas que os elementos de arame de resistência, mas são produzidos com um processo de fotocondicionamento subtrativo que começa com uma folha de metal contínua e termina com um padrão de resistência complexo. Esses elementos são comumente encontrados em aplicações de aquecimento de precisão, como diagnósticos médicos e aeroespacial.
Cerâmica e semicondutor
- Dissilicida de molibdênio (MoSi 2 ) um composto intermetálico, um silicida de molibdênio, é uma cerâmica refratária usada principalmente em elementos de aquecimento. Tem densidade moderada, ponto de fusão 2030 ° C (3686 ° F) e é eletricamente condutor. Em altas temperaturas, forma uma camada de passivação de dióxido de silício, protegendo-o de futuras oxidações. A área de aplicação inclui a indústria de vidro , sinterização de cerâmica , fornos de tratamento térmico e fornos de difusão de semicondutores .
- Carboneto de silício , ver carboneto de silício § elementos de aquecimento .
- Nitreto de silício , consulte nitreto de silício na indústria automotiva . A ignição de superfície quente de nova geração para fornos a gás e velas de incandescência para motores a diesel é feita de material de nitreto de silício. Esses elementos de aquecimento ou velas de incandescência atingem uma temperatura máxima de 1400 ° C e acendem rapidamente o gás, diesel ou querosene.
- Elementos cerâmicos PTC: os materiais cerâmicos PTC são nomeados por seu coeficiente térmico positivo de resistência (ou seja, a resistência aumenta com o aquecimento). Enquanto a maioria das cerâmicas tem um coeficiente negativo , esses materiais (geralmente titanato de bário e compósitos de titanato de chumbo ) têm uma resposta térmica altamente não linear, de modo que acima de uma temperatura limite dependente da composição, sua resistência aumenta rapidamente. Esse comportamento faz com que o material atue como seu próprio termostato , já que a corrente passa quando está fria e não passa quando está quente. Filmes finos desse material são usados em aquecedores de degelo de vidro traseiro automotivo, e elementos em forma de favo de mel são usados em secadores de cabelo mais caros , aquecedores de ambiente e a maioria dos fogões de pellet modernos . Tal elemento de aquecimento pode atingir uma temperatura de 950-1000 ° C e são elogiados pela velocidade de temperatura e estabilidade.
- Aquecedores infravermelhos de quartzo halogênio também são usados para fornecer aquecimento radiante .
Aquecedores de filme espesso
Aquecedores de filme espesso são um tipo de aquecedor resistivo que pode ser impresso em um substrato fino. Os aquecedores de filme espesso exibem várias vantagens sobre os elementos convencionais de resistência com bainha de metal. Em geral, os elementos de filme espesso são caracterizados por seu fator de forma de perfil baixo, uniformidade de temperatura aprimorada, resposta térmica rápida devido à baixa massa térmica, baixo consumo de energia, alta densidade de watt e ampla faixa de compatibilidade de tensão. Normalmente, os aquecedores de filme espesso são impressos em substratos planos, bem como em tubos em diferentes padrões de aquecedores. Esses aquecedores podem atingir densidades de watts de até 100 W / cm 2, dependendo das condições de transferência de calor. Os padrões do aquecedor de filme espesso são altamente personalizáveis com base na resistência da folha da pasta do resistor impresso.
Esses aquecedores podem ser impressos em uma variedade de substratos, incluindo metal, cerâmica, vidro, polímero, usando pastas de filme espesso carregadas com metal / liga. Os substratos mais comuns usados para imprimir aquecedores de filme espesso são alumínio 6061-T6, aço inoxidável e folhas de mica muscovita ou flogopita . As aplicações e características operacionais desses aquecedores variam amplamente com base nos materiais de substrato escolhidos. Isso é atribuído principalmente às características térmicas do substrato do aquecedor.
Existem várias aplicações convencionais de aquecedores de filme espesso. Eles podem ser usados em grelhas, ferros de waffle, aquecimento elétrico de fogão, umidificadores, chaleiras, dispositivos de selagem por calor, aquecedores de água, vaporizadores de ferro e pano, alisadores de cabelo, caldeiras, camas aquecidas de impressora 3D, cabeçotes de impressão térmica, pistolas de cola equipamentos de aquecimento de laboratório, secadores de roupa, aquecedores de rodapé, dispositivos de degelo ou desembaçamento, bandejas de aquecimento, espelhos laterais de carro, degelo de geladeira, trocadores de calor, etc.
Para a maioria das aplicações, o desempenho térmico e a distribuição de temperatura são os dois principais parâmetros de design. Para evitar pontos quentes e manter uma distribuição uniforme da temperatura em um substrato, o projeto do circuito pode ser otimizado alterando a densidade de potência localizada do circuito do resistor. Um projeto de aquecedor otimizado ajuda a controlar a saída do aquecedor e modular as temperaturas locais em todo o substrato do aquecedor. Nos casos em que há uma necessidade de 2 ou mais zonas de aquecimento com diferentes potências de saída em uma área relativamente pequena, um aquecedor de filme espesso pode ser projetado para atingir um padrão de aquecimento zonal em um único substrato.
Os aquecedores de filme espesso podem ser amplamente caracterizados em duas subcategorias - coeficiente de temperatura negativo (NTC) ou coeficiente de temperatura positivo (PTC) com base no efeito do aumento da temperatura na resistência do elemento. Os aquecedores do tipo NTC são caracterizados por uma diminuição na resistência à medida que a temperatura do aquecedor aumenta e, portanto, têm uma potência de saída mais alta em temperaturas mais altas para uma dada tensão de entrada. Os aquecedores PTC se comportam de maneira oposta com aumento da resistência e diminuição da potência do aquecedor em temperaturas elevadas. Esta característica dos aquecedores PTC também os torna auto-reguláveis, pois a sua potência de saída satura a uma temperatura fixa. Por outro lado, os aquecedores do tipo NTC geralmente requerem um termostato ou um termopar para controlar o descontrole do aquecedor. Esses aquecedores são usados em aplicações que exigem um aumento rápido da temperatura do aquecedor até um ponto de ajuste predeterminado, pois geralmente atuam mais rapidamente do que os aquecedores do tipo PTC.
Elementos de aquecimento PTC de polímero
Os aquecedores resistivos podem ser feitos de materiais de borracha PTC condutores , onde a resistividade aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura. Esse aquecedor produzirá alta potência quando estiver frio e aquecerá rapidamente até uma temperatura constante. Devido ao aumento exponencial da resistividade, o aquecedor nunca pode se aquecer além desta temperatura. Acima dessa temperatura, a borracha atua como isolante elétrico. A temperatura pode ser escolhida durante a produção da borracha. As temperaturas típicas estão entre 0 e 80 ° C (32 e 176 ° F).
É um ponto de sábio aquecedor de auto-regulação e aquecedor auto-limitante . Auto-regulagem significa que cada ponto do aquecedor mantém uma temperatura constante de forma independente, sem a necessidade de regulagem eletrônica. A autolimitação significa que o aquecedor nunca pode exceder uma determinada temperatura em qualquer ponto e não requer proteção contra superaquecimento.
Líquido
Elementos de aquecimento compostos
- Os elementos tubulares (com bainha) normalmente compreendem uma bobina fina de fio de liga de aquecimento de resistência de nicrômio (NiCr), que está localizado em um tubo metálico (de ligas de cobre ou aço inoxidável como Incoloy ) e isolado por óxido de magnésio em pó. Para manter a umidade fora do isolador higroscópico , as extremidades são equipadas com grânulos de material isolante, como cerâmica ou borracha de silicone, ou uma combinação de ambos. O tubo é puxado por uma matriz para comprimir o pó e maximizar a transmissão de calor. Eles podem ser uma haste reta (como em fornos torradeira ) ou dobrada em uma forma para abranger uma área a ser aquecida (como em fogões elétricos , fornos e cafeteiras ).
- As trilhas de metal-cerâmica serigrafadas, depositadas em placas de metal isoladas de cerâmica (geralmente de aço), encontraram ampla aplicação como elementos em chaleiras e outros aparelhos domésticos desde meados da década de 1990.
- Elementos de aquecimento radiativo (lâmpadas de calor): Uma lâmpada incandescente de alta potência geralmente funciona com menos da potência máxima para irradiar principalmente infravermelho em vez de luz visível. Eles são normalmente encontrados em aquecedores radiantes e aquecedores de alimentos, tendo uma forma tubular longa ou uma forma de lâmpada refletor R40 . O estilo da lâmpada reflectora é frequentemente tingido de vermelho para minimizar a luz visível produzida; a forma tubular vem em diferentes formatos:
- Revestido a ouro - ficou famoso pela lâmpada patenteada Phillips Helen. Um filme dicróico dourado é depositado no interior que reduz a luz visível e permite a passagem da maior parte do infravermelho de ondas curtas e médias. Principalmente para aquecer pessoas. Vários fabricantes já fabricam essas lâmpadas e elas são aprimoradas constantemente.
- Revestida de rubi - Mesma função que as lâmpadas revestidas de ouro, mas com uma fração do custo. O brilho visível é muito maior do que a variante dourada.
- Transparente - Sem revestimento e usado principalmente em processos de produção.
- Os elementos de núcleo de cerâmica removíveis usam um fio de liga de aquecimento por resistência enrolado rosqueado através de um ou mais segmentos cilíndricos de cerâmica para fazer um comprimento necessário (relacionado à saída), com ou sem uma haste central. Inserido em uma bainha de metal ou tubo selado em uma das extremidades, esse tipo de elemento permite a substituição ou reparo sem interromper o processo envolvido, geralmente aquecimento de fluido sob pressão.
Sistemas de elementos de aquecimento combinados
- Os elementos de aquecimento para fornos de alta temperatura geralmente são feitos de materiais exóticos, incluindo platina , dissilicida de tungstênio / dissilicida de molibdênio , molibdênio ( fornos a vácuo ) e carboneto de silício . Dispositivos de ignição de superfície quente de carboneto de silício , que são elementos de aquecimento projetados para acender gás inflamável, são comuns em fornos a gás e secadoras de roupa. Aquecedores a laser também estão sendo usados para atingir altas temperaturas.