Éléments chauffants

Cet article identifie différents types d’éléments chauffants électriques, met en évidence des considérations importantes lors de la détermination d’une solution de chauffage .

Qu’est-ce qu’un élément chauffant?

Un élément chauffant est un composant composé à la fois d’un matériau électriquement conducteur et isolant, conçu pour servir à des fins de chauffage. Décomposons cela.

Composant : Un élément chauffant est plus que l’alliage chauffant seul. Il s’agit d’un assemblage de pièces comprenant un cadre en matériau isolant ainsi que des connecteurs de plomb.

Dans le cas d’un échangeur de chaleur (voir plus) ouvert, par exemple, l’alliage chauffant est généralement maintenu ou suspendu par des isolants en mica ou en céramique.

Les bornes de fil connectent en toute sécurité les bobines de chauffage au circuit.

Conducteur d’électricité : le noyau fondamental d’un radiateur électrique est l’alliage de l’élément chauffant qui transforme l’énergie électrique en énergie thermique lorsqu’il est soumis à un courant.

C’est la partie d’un appareil de chauffage où se produit la charge électrique.
Lorsque la chaleur est produite de cette manière, nous l’appelons chauffage résistif.

Il est également connu sous le nom de chauffage Joule.

Conçu pour servir un objectif : un élément chauffant est plus que sa composition matérielle.
C’est un produit de conception.

L’alliage et les isolants doivent être manipulés pour devenir un composant utile qui sert à des fins de chauffage.

L’artisans chauffagiste 92 a des multiples talents qui détermine l’alliage et donne l’appareil de chauffage qu’il forme .

Types et matériel

Le matériau au cœur d’un appareil de chauffage est généralement du métal sous la forme d’un fil, d’un ruban ou d’un dessin gravé à partir d’une feuille de métal. Un élément chauffant peut également contenir de la céramique, du plastique ou du silicone imprégné d’un conducteur.

Le choix des meilleurs matériaux pour le travail comprend une compréhension approfondie des propriétés des matériaux .

Alliages de fils métalliques et de rubans

Tous les éléments chauffants métalliques ont des propriétés physiques, thermiques, électriques et métallurgiques.

Ces propriétés matérielles sont des considérations nécessaires lors du choix de la meilleure solution pour une application.

Les différences dépendant de la température telles que la résistance électrique et la dilatation thermique varient en fonction du matériau.

De nombreux défis de conception de réchauffeurs surviennent car les propriétés des divers matériaux des éléments chauffants ont tendance à changer en fonction des conditions.

Les éléments chauffants que l’on trouve dans les appareils courants sont fabriqués à partir d’alliages métalliques résistants tels que Fe-Cr-Al et Ni-Cr(Fe).

Ils ont la capacité de produire des températures suffisamment chaudes pour que l’élément devienne rouge vif, aux alentours de 1112 ° F (600 ° C) et plus. Les appareils de chauffage qui fonctionnent en dessous de cette plage peuvent être fabriqués à partir d’une gamme beaucoup plus large de matériaux.

Des éléments tels que le cuivre, le nickel, l’aluminium, le molybdène, le fer et le tungstène ainsi que des alliages contenant des combinaisons de ces éléments sont utilisés.

Bobines d’élément chauffant inutilisées

Les alliages de chauffage par résistance contiennent des proportions variables d’éléments chimiques selon le fil que vous commandez et qui le fabrique.

Un alliage à base de nickel que nous utilisons couramment est le 80 Ni, 20 Cr (80 % nickel, 20 % chrome).

Les proportions de sa composition sont différentes de celles du 60 Ni, 16 Cr (60% Nickel, 16% Chrome), Les propriétés différentes que présentent ces deux alliages sont importantes.

Éléments de connexion dans un cadre

Un fil d’élément chauffant électriquement conducteur existe dans un cadre de matériau électriquement isolant.

Qu’ils soient ondulés, enroulés ou droits, les éléments de fil entrent généralement dans l’une des trois classifications en fonction de la façon dont ils entrent physiquement.

Suspendu

La céramique ou le mica est généralement utilisé pour suspendre le fil en deux points ou plus. Le nombre de points implique des compromis.

D’autre part, nous pouvons chercher à ajouter des points de contact pour soutenir un flux d’air et minimiser l’affaissement de l’élément. Les éléments suspendus transfèrent la chaleur par convection et rayonnement. Pas de conduction.

Embarqué

Dans un élément chauffant intégré, le fil est enfermé dans un matériau isolant. Etant en contact complet avec son environnement, l’élément ne peut transmettre la chaleur que par conduction.

Un exemple de ceci est une cartouche chauffante .

La bobine de l’élément chauffant est verrouillée à l’intérieur d’un matériau isolant MgO. La chaleur est transférée directement de la bobine de fil au MgO et à la gaine extérieure qui chauffe la platine.

Prise en charge

Ce type d’intégration avec un cadre de chauffage se situe quelque part entre suspendu et intégré. Une grande partie de l’élément chauffant sera bien supportée à de nombreux points de contact.

Il peut s’agir en fait d’une bobine posée dans un canal. Il n’est pas intégré dans un matériau isolant et, en tant que tel, la bobine aura une certaine liberté de mouvement.

La conduction, la convection et le rayonnement sont toutes des formes de transfert de chaleur à partir d’un élément supporté.

Oligo-éléments

Un alliage de résistance spécifique d’un fabricant d’éléments chauffants ne présentera pas nécessairement les mêmes propriétés lorsqu’il est fourni par un fabricant différent.

Ces produits apparemment similaires peuvent contenir des oligo-éléments en plus de leurs éléments homonymes, ce qui peut affecter considérablement les propriétés de l’alliage.

Les oligo-éléments se présentent sous deux variétés, les contaminants et les améliorations. Les contaminants ont un effet indésirable tel qu’une durée de vie plus courte et une plage de température limitée.

Des améliorations d’oligo-éléments sont ajoutées exprès par le fabricant. Les améliorations comprennent une adhérence accrue de la couche d’oxyde, une plus grande capacité à conserver une forme et une durée de vie plus longue du fil à des températures plus élevées.

Ruban d’élément chauffant sur mica pour réchauffeur de sac d’étanchéité

Un ingénieur de conception expérimenté comparera les propriétés de l’alliage, filtrera les compromis et arrivera aux meilleures dimensions d’alliage et de matériau d’élément chauffant pour le travail.

Il travaillera ensuite avec la production pour manipuler le matériau dans une forme et une orientation dimensionnelles qui produisent le meilleur résultat pour votre application. Un bon atelier de chauffage sur mesure comprendra comment les producteurs d’alliages de fils et de rubans se comparent.

Réchauffeurs d’air de processus

Les réchauffeurs d’ air de processus sont des composants à air chaud utilisés dans les processus industriels et commerciaux.

Chacun est conçu pour fonctionner dans une plage de températures, de débits d’air et de pressions d’air.

Les applications comprennent le séchage, le durcissement, la fusion, la découpe, la cuisson, le thermorétrécissement, le dessoudage, la métallisation, le piquage thermique, la stérilisation, le lavage à l’air, le laminage, l’activation de l’adhésif, les rideaux d’air chaud et les lames d’air.

Bobine ouverte

élément bobiné ouvert avec isolateurs en porcelaine Les réchauffeurs à serpentin ouvert utilisent des serpentins électriquement conducteurs généralement fabriqués à partir de Ni Cr ou de Fe Cr Al et maintenus ou suspendus par des isolants tels que la céramique ou le mica.

Ils sont conçus pour exposer la surface de l’élément chauffant directement à un flux d’air.
La forme de la bobine permet au concepteur d’emballer dans une plus grande quantité de surface chauffée, augmentant le contact avec l’air.

Un blocage minimal de l’air (entraînant une chute de pression d’air plus faible), une température d’élément uniforme et des zones de contact d’élément réduites sans affaissement sont des préoccupations de l’ingénieur concepteur de l’appareil de chauffage.

Le choix de l’alliage, de la jauge et des dimensions est stratégiquement choisi pour créer une solution personnalisée basée sur les besoins uniques d’une application.

Serpentine MC

extrémité d’un élément serpentin à l’intérieur du corps de l’élément chauffant Se contiennent des éléments de fil enroulés de manière saillante autour d’un noyau non électriquement conducteur.

Contrairement aux bobines qui suivraient autrement un motif de boucle uniforme sur toute la longueur d’un tube, Serpentine Technology™ introduit chaque boucle ou bobine dans un flux d’air séparé de ses boucles voisines.

Contrairement aux bobines ouvertes qui doivent être suspendues, la Serpentine Technologie ™ est quelque peu rigide afin que les éléments puissent conserver leur forme autour d’un noyau isolant.

élément serpentin enroulé autour d’un noyau isolant Serpentine Technologie peut être assemblé dans un seul réchauffeur d’air de procédé pour produire des quantités exceptionnelles d’énergie thermique.

Les radiateurs peuvent être de taille gigantesque. Dans certains cas, des installations électriques entières sont construites pour supporter l’électricité nécessaire à leur fonctionnement.

Les réchauffeurs remplacent les réchauffeurs à gaz dans les applications où les sous-produits de la combustion ne sont pas souhaitables.

Chauffages flexibles

Les éléments chauffants flexibles (également appelés éléments chauffants flexibles) sont des éléments chauffants de surface qui peuvent être pliés pour s’adapter à la surface chauffée. Ils peuvent être façonnés lors de la fabrication pour s’adapter à des géométries complexes.

Les éléments chauffants flexibles contiennent des éléments chauffants en film mince, en feuille ou en fil métallique fabriqués à partir d’une grande variété d’alliages. Ils ont une bonne force dialectique et résistent à de nombreux produits chimiques.

Les traces électriquement conductrices sont soit fixées à un substrat, soit intégrées (en sandwich) à l’intérieur de plusieurs couches. Ils sont soit coupés soit gravés au moyen d’un processus chimique pour créer la forme des traces de l’élément chauffant.

Une grande variété de conducteurs électriques, y compris l’acier inoxydable, le cuivre, l’aluminium, le nichrome, etc. peuvent être utilisés. Le choix du conducteur à utiliser dépendra principalement de la température de fonctionnement souhaitée et du coût du produit.

Les considérations budgétaires peuvent inclure le coût de fabrication, le coût d’assemblage (comment les fils de connexion sont-ils attachés, par exemple) et le coût du matériau de l’élément chauffant lui-même.

Réchauffeurs en caoutchouc de silicone

élément chauffant en caoutchouc de silicone fléchi pour montrer le rayon de courbure maximalLes éléments chauffants en caoutchouc de silicone contiennent un ou plusieurs éléments chauffants pris en sandwich dans deux morceaux de caoutchouc de silicone vulcanisé.

Le caoutchouc est électriquement isolant mais thermiquement conducteur. Les éléments à l’intérieur sont des alliages de feuilles minces qui ont été gravés. Ils peuvent également être fabriqués avec du fil bien que cela soit de moins en moins courant.

Les radiateurs en caoutchouc de silicone sont des produits durables et polyvalents offrant jusqu’à 30 watts par pouce carré avec des températures allant jusqu’à 220°C (428°F) selon les exigences UL.

Ils peuvent être conçus pour être découpés dans n’importe quelle forme. Leur capacité de flexion les rend adaptés à de nombreuses applications avec des surfaces courbes et de forme irrégulière.

Éléments chauffants en polyimide

trois exemples de radiateurs Kapton  personnalisés Également appelés Kapton, les éléments chauffants en polyimide sont similaires aux éléments chauffants en caoutchouc de silicone en ce qu’ils sont de minces éléments chauffants gravés à plat.

Ils sont plus légers que le silicone et se plient plus facilement.

Il convient de noter la très bonne résistance à la traction du matériau du substrat (polyimide). Bien que leur limite de température maximale ait tendance à être un peu inférieure à celle du caoutchouc de silicone, ils ont la capacité de composer des températures très précises et peuvent le faire rapidement.

Leur profil ultra-mince est attrayant pour les applications dans l’électronique, l’optique, le laboratoire, le médical, l’aérospatiale et partout où les choses doivent être très petites et légères.

Les applications qui nécessitent le chauffage d’une lentille ou d’une fenêtre en verre utilisent parfois un matériau transparent pour le diélectrique.

Réchauffeurs à film épais

élément chauffant à film épais imprimé sur un tube en acier inoxydableCes radiateurs à profil bas (minces) sont fabriqués avec un équipement de précision pour produire des géométries bidimensionnelles dans une grande variété de puissances et de tensions.

Idéal pour les applications nécessitant une réponse rapide et une uniformité de température. Le profil mince est bien adapté là où l’espace est limité.

Ces radiateurs peuvent atteindre des températures très élevées.

Les éléments chauffants à film épais sont fabriqués à l’aide d’un procédé de type sérigraphie. Cela permet différentes compositions d’encres conductrices pour contrôler le placement de la chaleur.

Il permet également des formes flexibles.

Les caractéristiques comprennent l’adaptabilité à diverses formes, une conductivité uniforme, la personnalisation des zones de concentration de chaleur, la résistance aux environnements corrosifs, un profil fin et flexible.

Réchauffeurs PTC

Les éléments chauffants PTC (éléments chauffants à coefficient de température positif) contiennent des traces d’un matériau électriquement conducteur tel que le noir de carbone mélangé à un matériau électriquement isolant mais thermiquement conducteur tel que le caoutchouc de silicone.

Deux fils enfouis dans ce matériau ne se touchent pas physiquement. Le rapport entre le matériau électriquement conducteur et le matériau électriquement isolant est soigneusement contrôlé lors de la fabrication.

La propriété la plus notable des éléments chauffants PTC est qu’ils augmentent leur résistance électrique à mesure qu’ils chauffent.

Les ingénieurs font bon usage de cette propriété en concevant des réchauffeurs PTC pour qu’ils se calment à une température spécifique et deviennent ainsi auto-limitants.

Réchauffeur d’air PTC pour le contrôle environnemental de la cabine d’avion

Un réchauffeur d’air PTC conçu pour le contrôle environnemental des avions. Il contient plusieurs éléments chauffants PTC dans un seul emballage. La limitation de température signifie qu’il ne peut jamais devenir trop chaud.

PTC utilisé comme limiteur de température sur un minuscule réchauffeur de boîtier en caoutchouc de silicone

Un réchauffeur PTC se superpose à ce réchauffeur en caoutchouc de silicone agissant comme un petit limiteur de température sans avoir besoin d’options de contrôle plus volumineuses. La conception du petit réchauffeur de l’évaporateur permet au client d’économiser des coûts et de l’espace précieux dans son enceinte.

Éléments intégrés

Le matériau générateur de chaleur électriquement conducteur est intégré dans un matériau électriquement isolant mais thermiquement conducteur.

Cartouches chauffantes

petite cartouche chauffante avec protection du câble tressé Une cartouche chauffante contient une bobine électrique entourée d’une poudre isolante (généralement de l’oxyde de magnésium) et emballée dans une gaine conique. Tous les terminaux sortent du même côté.

Ce type de réchauffeur est couramment inséré dans un trou cylindrique. La taille et la forme de l’alésage ainsi que la taille et la forme de l’élément chauffant sont extrêmement importantes.

Il doit y avoir un ajustement ferme et uniforme lorsqu’il est sous tension pour obtenir un transfert de chaleur par conduction sûr et efficace.

Pas trop serré ou le réchauffeur devra peut-être être percé lorsqu’il expire. Dans certains cas, une cartouche chauffante est utilisée pour chauffer un fluide au lieu d’un bloc de métal et aura des ailettes pour augmenter la surface.

Bandes chauffantes

bande chauffante avec bornes à vis et trou de montage Une bande chauffante est un élément chauffant rectangulaire relativement plat fabriqué à partir d’une bande de mica qui a été enveloppée d’un fil ruban.
Cet assemblage est pris en sandwich entre deux autres morceaux de mica, puis enfermé dans une gaine métallique.

Les bandes chauffantes peuvent être équipées d’ailettes et peuvent également être spécialement fabriquées pour les environnements extrêmes.

De nombreux styles de bornes existent pour cet appareil de chauffage. Des découpes et autres modifications de forme sont possibles..

Ce dernier est très courant dans l’industrie de transformation des matières plastiques où les granulés de plastique doivent être réchauffés à une température suffisante.

Cela ne fait pas en soi fondre le plastique, mais prépare le matériau pour le processus mécanique qui effectue réellement la fusion. Une chaleur suffisante est nécessaire pour la rétraction d’une grande vis sans fin utilisée dans de nombreux procédés de fabrication de plastique.

Radiateurs tubulaires

réchauffeur tubulaire avec support de montage et un coude serréLes radiateurs tubulaires ont une bobine électrique entourée d’une poudre isolante en céramique enfermée dans une gaine métallique.

Les bornes sortent aux extrémités opposées du réchauffeur.

Ce type de radiateur a généralement une section ronde bien qu’il puisse être fabriqué dans d’autres formes comme carrée ou triangulaire.

Ils sont souvent fabriqués avec des courbes et des coudes pour mieux supporter une application. Un emplacement commun pour trouver un élément tubulaire est à l’intérieur d’un four de cuisine électrique.

Déterminer une solution

Afin d’arriver à une solution de chauffage parfaitement adaptée à votre application particulière, il est utile de comprendre comment un appareil de chauffage s’intégrera et supportera un système plus grand.

Puissance et température

L’application devra fournir suffisamment d’énergie pour faire fonctionner le radiateur. Nous allons vouloir connaître la puissance disponible et les éventuelles limitations.

Un radiateur ne nécessite pas la même puissance tout le temps. Il y a des moments où un appareil de chauffage nécessitera plus de puissance que d’autres. Nous voulons connaître la puissance maximale qui sera jamais demandée à cet appareil de chauffage.

Dans certaines applications, la puissance maximale se produit lorsque le radiateur est allumé et se dirige vers la température. Dans d’autres applications, un pic est exigé tout en maintenant une température de fonctionnement. Celui d’entre eux qui est le plus élevé est une exigence de puissance minimale.

Nous voulons savoir combien d’énergie est nécessaire pour chauffer avec succès la chose que nous chauffons dans le délai requis. Nous pourrions chauffer un bloc d’acier, une boîte d’air, un réservoir d’huile ou de l’eau circulant dans un tuyau.

Notre conception de chauffage devra non seulement gérer de manière sûre et fiable la puissance requise, mais elle devra également fournir la chaleur. Nous pouvons affiner nos choix de matériaux et de dimensions pour de nombreuses formes d’appareils de chauffage avec des calculs de transfert de chaleur manuels. Une approche pour estimer la température produite par une bobine de fil enroulé en spirale dans un écoulement de gaz peut être moins évidente. .

La densité de watt est un autre moyen utile de comparer rapidement les matériaux. Mesurée en Watts/in 2 ou Watts/mm 2 , la densité de watt correspond au nombre total de watts de l’élément chauffant divisé par la surface qui génère la chaleur.

Éléments chauffants et leur environnement

Éléments chauffants à l’intérieur d’un réchauffeur d’air à haute température Différents matériaux réagiront différemment selon leur environnement.

Il est utile de savoir s’il y aura une concentration élevée d’un gaz particulier, une humidité importante ou des contaminants nocifs pour l’alliage dans l’espace où l’élément chauffant est alimenté.

L’ammoniac, le soufre, le zinc, le chlore et le bore mettront fin prématurément à un appareil de chauffage avec un alliage mal adapté.

Par exemple, les contaminants de chlorure sont généralement mauvais pour les alliages à base de fer tandis que les sulfures sont nocifs pour le Ni-Cr.

Conception pour équipement préexistant

Il est courant pour nous de concevoir un appareil de chauffage pour un équipement déjà conçu ou même fabriqué. C’est aussi une option plus restrictive.

Toute opportunité d’être impliqué tôt dans le processus de conception du produit se traduira par un meilleur produit avec une meilleure solution de chauffage à un coût réduit.

Réchauffeur d’air en ligne conçu pour s’adapter à un coude

La quantité d’espace autorisé pour le radiateur ainsi que la forme de l’espace est souvent le coupable. Si votre produit nécessite un radiateur à serpentin ouvert mais que nous ne pouvons pas obtenir une circulation d’air appropriée à travers les serpentins du radiateur, cela posera un problème.

Non seulement un produit préexistant limite les options de conception de votre appareil de chauffage, mais il peut devenir prohibitif ou même incroyablement difficile à concevoir.

Cet article a été écrit par Bruno

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