Ambienti ad alta-temperatura: oltre i limiti del riscaldatore a cartuccia da 28 mm

Cosa succede quando la temperatura operativa supera i 500 gradi e come mantenere in funzione un riscaldatore a cartuccia.


La maggior parte dei lavori di riscaldamento industriale funziona bene tra 100 gradi e 400 gradi. Se installato correttamente, un riscaldatore a cartuccia singola in acciaio inossidabile di base funziona bene per anni a queste temperature.

Ma per certi usi serve di più. La pressofusione-, la formatura del vetro, alcuni processi chimici e la plastica che funziona a temperature molto elevate devono tutti funzionare a 500 gradi, 600 gradi o anche a temperature superiori per un lungo periodo. I riscaldatori a cartuccia standard si rompono rapidamente a questi estremi.

Chiunque lavori con processi termici difficili deve sapere cosa può e non può fare il riscaldatore a cartuccia singola con diametro di 28 mm in ambienti ad alta-temperatura.

Cosa succede quando la temperatura aumenta?
Quando la temperatura aumenta, ogni parte del riscaldatore a cartuccia deve lavorare di più.

Materiale per la guaina. Al di sopra di 500 gradi, l'acciaio inossidabile standard (304, 316) inizia a perdere forza e capacità di resistere all'ossidazione. La guaina potrebbe diventare fragile e potrebbero verificarsi incrostazioni superficiali. Il rapido degrado avviene quando lo si esegue per lungo tempo a 600 gradi. Le guaine Incoloy® (gradi 800 e 840) rimangono resistenti e non arrugginiscono fino a circa 800 gradi. Per le temperature più calde sono necessarie leghe di nichel-cromo o superleghe esclusive.

Isolamento in MgO. L'isolamento in ossido di magnesio è abbastanza stabile e non si scioglie finché non raggiunge i 2800 gradi. Ma quando la temperatura è elevata, l’MgO può diventare leggermente conduttivo, il che riduce la resistenza dell’isolante. Questo effetto scompare quando la temperatura diminuisce, ma potrebbe creare fastidiosi interventi per guasto a terra nei sistemi di controllo sensibili. L'MgO con una quantità controllata di umidità funziona meglio alle alte temperature.

Filo che resiste. Il filo che resiste al calore è la parte più sensibile alla temperatura. Al di sopra di 600 gradi, il filo standard NiCr (nichel-cromo 80/20) si ossida rapidamente. Per continuare a lavorare oltre questo punto, sono necessarie leghe speciali come NiCrFe o gradi personalizzati per alte-temperature.

Terminazioni. Il punto in cui i cavi elettrici si uniscono al filo di resistenza è debole. A temperature elevate, le connessioni brasate o crimpate standard potrebbero indebolirsi o rompersi. Hai bisogno di connettori saldati o terminazioni-per alte temperature realizzate appositamente per questo scopo.

Il vantaggio del 28mm quando fa caldo
In situazioni di alta-temperatura, un riscaldatore a cartuccia da 28 mm è migliore perché ha un diametro maggiore. Il filo di resistenza può essere avvolto a una densità di watt inferiore per la stessa potenza totale poiché ha più spazio all'interno. Anche quando la guaina viene riscaldata, una densità di watt inferiore equivale a temperature più basse all'interno del filo.

Un riscaldatore a cartuccia singola da 28 mm con una temperatura della guaina di 600 gradi e una densità di watt di 5 W/cm² può avere una temperatura del filo interno di 750 gradi. Un riscaldatore da 12 mm con la stessa potenza può aumentare la temperatura dei fili interni a oltre 900 gradi, che è semplicemente troppo alta per essere gestita da qualsiasi lega resistente.

Questa disparità è il motivo per cui i riscaldatori più grandi spesso funzionano in situazioni di temperatura elevata-mentre quelli più piccoli no.

Scelta dei materiali della guaina per le alte temperature
La scelta del materiale giusto per la guaina è molto importante per un riscaldatore a cartuccia che funziona a 500 gradi.

Incoloy 800 può essere utilizzato continuamente a temperature fino a 760 gradi. Buona resistenza meccanica e resistenza all'ossidazione. La scelta più tipica per usi industriali che necessitano di lavorare ad alte temperature.

Incoloy 840 è come 800, tranne che contiene più cromo, il che lo rende più resistente all'ossidazione. Funziona bene fino a 800 gradi.

Le leghe di nichel-cromo come 80/20 sono chiamate nicromo (NiCr). Possono essere utilizzati come materiali di guaina a temperature molto elevate (fino a 1000 gradi), ma costano di più e non resistono alla corrosione come l'Incoloy.

L'acciaio inossidabile 310 è un grado austenitico che contiene più cromo e nichel rispetto al 304/316. Buono per brevi periodi di tempo a temperature fino a 1000 gradi, ma si ossida più velocemente di Incoloy se usato continuamente ad alte temperature.

Quando si lavora con gas corrosivi o sostanze chimiche ad alte temperature, potrebbe essere necessario il titanio o rivestimenti speciali. Tuttavia, queste soluzioni sono molto più costose.

Cose a cui pensare quando si installa a temperature elevate
L'espansione termica è più evidente a temperature più elevate. Se riscaldato a 600 gradi, un riscaldatore a cartuccia da 28 mm che è già a temperatura ambiente può espandersi di circa lo 0,1% della sua lunghezza (circa 0,2 mm su un riscaldatore da 200 mm). Se il foro di montaggio si espande più del riscaldatore, ciò può far sì che il riscaldatore rimanga incastrato in un foro stretto o, al contrario, si crei uno spazio vuoto.

Per le applicazioni ad alta-temperatura, è preferibile un gioco diametrale al limite superiore dell'intervallo suggerito (0,04–0,05 mm) poiché consente l'espansione differenziale. Il foro di montaggio deve essere diritto e liscio in modo che il riscaldatore possa espandersi senza piegarsi.

Bisogna anche pensare alle temperature in prossimità dell'uscita di testa. Anche se l'estremità del conduttore non viene riscaldata, il calore può comunque spostarsi lungo la guaina fino alle estremità. Se la temperatura delle uscite dei conduttori supera i 200 gradi, i normali cavi e le guarnizioni si romperanno. Potrebbero essere necessari tratti lunghi, non riscaldati, blocchi di raffreddamento o materiali di piombo ad alta-temperatura come cavi in ​​fibra ceramica o con guaina metallica-.

Modi più comuni in cui le cose vanno storte alle alte temperature
Quando un riscaldatore a cartuccia smette di funzionare a un'impostazione di temperatura- elevata, solitamente è a causa di uno dei seguenti motivi:

Ossidazione della guaina: il ridimensionamento rende la parete della guaina più sottile, il che porta infine ad una breccia che consente al mondo esterno di vedere le parti interne.

Caduta della resistenza di isolamento: l'MgO diventa sufficientemente conduttivo alle alte temperature da far scattare la protezione dai guasti a terra, anche quando il riscaldatore è ancora in funzione.

Ossidazione del filo resistivo: il filo perde lentamente la sua sezione trasversale-, il che aumenta la resistenza e genera punti caldi che accelerano il guasto.

Guasto alla guarnizione di piombo: la guarnizione tra la guaina e i fili conduttori si rompe, lasciando entrare umidità o sporco nel riscaldatore quando si raffredda.

Consigli utili per avere successo alle alte temperature
Quando scegli un riscaldatore a cartuccia per l'uso ad alta-temperatura, tieni presente questi aspetti. La dimensione da 28 mm è spesso la migliore perché è la più grande che può essere utilizzata. Scegli materiali per guaina e filo in grado di gestire la temperatura necessaria oltre a un margine di sicurezza per un uso prolungato. Per un utilizzo a lungo termine-a temperature elevate, mantieni la densità di watt quanto più bassa possibile, idealmente inferiore a 5 W/cm². All'estremità del cavo, assicurarsi che ci sia abbastanza lunghezza non riscaldata per proteggere le terminazioni. Se necessario, valuta l'utilizzo del raffreddamento attivo (aria o acqua) per le uscite dei cavi.

Ultimi pensieri
Se utilizzato a temperature elevate, ogni parte di un riscaldatore a cartuccia singola viene spinta al limite. Per avere successo, è necessario scegliere attentamente i materiali, mantenere bassa la densità di watt e prestare attenzione alla dilatazione termica e alle temperature di uscita del piombo. Il riscaldatore a cartuccia singola con diametro grande da 28 mm è preferibile per queste condizioni difficili poiché ha una superficie maggiore e un volume interno maggiore rispetto alle dimensioni inferiori.

Diversi processi termici necessitano di quantità diverse di calore. Un riscaldatore a cartuccia che funziona in un'applicazione di pressofusione-a 550 gradi potrebbe non funzionare altrettanto bene in un processo di formatura del vetro-a 700 gradi. Affinché il riscaldatore funzioni in modo affidabile, deve essere impostato alla temperatura giusta per il lavoro.