توضیحات اجمالی ساختار المنت

ازانواع مختلف و متنوع محصولات حرارتی – الکتریکی، گرمکن‌های برقی (Electrical Heater) جایگاه و اهمیت ویژه‌ای در کاربردهای خانگی و صنعتی دارند. از جمله محاسن گرمکن‌های برقی می‌توان به خصوصیات زیر اشاره کرد که آنها را به محصولاتی بی‌رقیب مبدل کرده است :

طراحی دما و حرارت تولیدی متنوع
بازدهی بالا
سرعت ورود و خروج بالا به خط تولید
کنترل دقیق و راحت
عدم آلایندگی
عمر طولانی
هزینه اولیه، راه‌اندازی، نگهداری و سوخت (برق) پایین

جزء اصلی دستگاه‌های گرمکن برقی المنت‌های حرارتی است. المنت حرارتی مجموعه‌ای از یک سیم گرمایش- مقاومتی همراه با ماده عایق و یا نگهدارنده به همراه اتصالات برقی تشکیل شده است. تنوع انواع المنت‌ها به جنس، ابعاد و شکل سیم و همچنین نوع و نحوه به کارگیری نگهدارنده مرتبط است.

با توجه به تنوع انواع المنت‌ها تنها به بررسی میله‌های گرمایشی به عنوان مهمترین محصول شرکت پرداخته می‌شود. در ادامه به توضیح و تشریح سیم‌های گرمایشی – مقاومتی، مواد پرکننده و انواع غلاف‌ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

سیم‌های مقاومت گرمایشی

مواد آلیاژی مورد استفاده در صنایع گرمایشی خود به دو دسته عمده تقسیم بندی می‌شوند :

آلیاژهای کروم - نیکل (آستنیتی)
آلیاژهای آهن- کروم- آلومینیوم (فریتی)

آلیاژهای نیکل-کروم قدیمی ترین مواد گرمایش – مقاومتی هستند که در اوایل قرن بیستم معرفی شده و تا کنون توسعه و کاربرد زیادی پیدا کرده اند. این آلیاژهای پایه آهنی به واسطه وزن سبکتر، توان و دمای کاری بالاتر و همچنین قیمت پایینتر نسبت به سری نیکلی کارکرد بیشتری در صنایع حرارتی دارند. البته هر کدام از این آلیاژها محاسن و محدودیت‌هایی نسبت به یکدیگر دارند .

محاسن آلیاژهای Fe-Cr-Al نسبت به آلیاژ Ni-Cr

دمای کاری بالاتر
عمر طولانی‌تر
مقاومت به اکسیداسیون بهتر
چگالی پایین‌تر
مقاومت الکتریکی بهتر
استحکام بالاتر

محاسن آلیاژهای Ni-Cr نسبت به آلیاژ Fe-Cr-Al

انعطاف‌پذیری داغ بالا و خواص خزشی بهتر
خواص غیر مغناطیسی
مقاومت به خوردگی بالاتر

مواد عایق

مواد عایق در المنت‌های حرارتی که به عنوان بستر سیم‌های گرمایشی مطرح‌ اند و نقش انتقال‌دهنده حرارت را بازی می‌کنند باید مشخصات زیر را داشته باشند :

مقاومت الکتریکی بسیار بالا تا دمای °C 1000
انتقال حرارت خوب
مواد عایق باید به صورت پودر بوده و قابلیت پرکنندگی مناسب داشته باشد
مواد عایق نباید در حین عملکرد در دمای بالا با سیم آلیاژی واکنش دهد

امروزه بهترین ماده عایق که شرایط بالا را ارضا می‌کند، اکسید منیزیم (MgO) است.

- مقاومت الکتریکی

از آنجاییکه باید جریان برق تنها از مقاومت عبور ‌کند و تمام المنت از نظر ایمنی در سطح بالایی باشد، عموماً از مواد سرامیکی که عایق الکتریکی‌اند استفاده می‌شود. اکسید منیزیم مقاومت الکتریکی بسیار بالایی نسبت به سایر سرامیک‌های متداول دارد.

- دمای کاری

تحمل گرمایی و دمای کاری ماده عایق که در مجاورت مقاومت قرار دارد به صورت مستقیم به دمای ذوب آن وابسته است. به صورت کلی مواد اکسیدی دارای دمای ذوب بسیار بالاتری نسبت به مواد فلزی دارند. دمای ذوب MgO حدود °C 1400 بالاتر از بیشترین دمای تولید مقاومت‌ها بوده و به راحتی شرایط کاری را تحمل می‌کند.

- انتقال حرارت

از آنجاییکه اکسید‌ها جامد هستند انتقال بهتری نسبت به گازها از خود نشان می‌دهند، ولی تبادل حرارتی آنها کمتر از فلزات است. در بین انواع اکسید‌ها، MgO توانایی مناسبی جهت تبادل گرما دارد.

غلاف

غلاف در برگیرنده و نگهدارنده سیم مقاومتی و ماده عایق است. حرارت تولیدی سیم پس از عبور از ماده عایق به غلاف رسیده و گرم کردن سیال و یا محیط هدف با تبادل گرما از سطح غلاف صورت می‌گیرد. در واقع سیال تنها با لوله در ارتباط بوده و از اجزاء داخلی محافظت می‌شود. نوع لوله‌ها‌ی به کار رفته وابسته به دمای کاری و و خورندگی محیط از آلیاژهای مس تا انواع سوپرآلیاژها متغییر است. طبق جدول 4 تعدادی از آلیاژهای به کاررفته به عنوان غلاف بر حسب دمای پیشنهادی آورده شده است. دماهای ارایه شده بر مبنای محیط هوا ارایه شده است، متعاقباً استفاده از سیالات و اتمسفرهای دیگر بر دمای کاری اثر خواهد گذاشت.

- مس و آلیاژهای آن

لوله‌های مسی بیشتر جهت حرارت‌دهی آب و محیط‌های غیرخورنده کاربرد دارند. جهت افزایش عمر مفید لوله‌های مسی سطح آن عمدتاً نیکل یا قلع اندود می‌شود. انعطاف‌پذیری بالای مس پتانسیل تولید شکل‌های پیچیده المنت را فراهم می‌کند. مهمترین کاربرد این نوع غلاف‌ها مصارف خانگی است.

- فولاد

دمای کاری لوله‌های فولادی نباید بالاتر از °C 450 باشند، همچنین این مواد تحمل محیط خورنده را ندارد. کاربرد اصلی این غلاف‌ها حرارت دهی هوا، روغن و سیلات با دمای پایین است.

- فولاد‌های زنگ نزن

متداول‌ترین فولاد زنگ نزن مورد استفاده (18Cr-8Ni-Ti)AISI 321 است که با پایدارسازی کربن توسط رسوبات کاربید‌های تیتانیوم از خوردگی مرزدانه‌ای کاسته می‌شود. این نوع غلاف‌ها جهت کاربردهای متنوعی تا دمای °C 750 مورد استفاده می‌شود. همچنین از آلیاژهای 303 و 304L در محیط‌هایی با خوردگی و دمای کاری کمتر استفاده می‌شود. افزودن مولیبیدن موجب افزایش چشم‌گیر مقاومت به خوردگی می‌شود. از آلیاژ نسوز 310 در شرایط دمای بالا تا °C 850 نیز استفاده می‌گردد.

باید توجه داشت پدیده‌هایی چون خزش آلیاژ در زمان‌های کارکرد طولانی، شوک‌های حرارتی و کرنشی به واسطه روشن-خاموش شدن‌های متوالی و تنش باقیمانده در قسمت‌های تغییرشکل یافته (خم شده) شرایط غلاف را به سمت بروز تردی (Brittle) پیش خواهد برد.

- سوپرآلیاژ

متداول‌ترین آلیاژ در این رسته Incocloy 800 می‌باشد، این آلیاژ دارای مقاومت به حرارت خوب، خواص مکانیکی دمای بالای عالی و مقاومت به خوردگی بالایی دارد که در شرایط بحرانی جایگزین مناسبی برای بهترین فولادهای زنگ نزن محسوب می‌شود. Inconel 600 از نظر خواص مکانیکی عملکرد بهتری دارد اما به واسطه درصد بالای نیکل آن قیمت تمام شده بالایی خواهد داشت، این آلیاژ تنها در شرایط بسیار حساس کاربرد پیدا می‌کند. آلیاژ Monel 400 نیز در بسیاری از سیالات خورنده استفاده می‌شود.

تولید لوله

لوله‌های انواع المنت‌ها وابسته به طراحی و شرایط گرمکن (ابعاد، تعداد، دما و انرژی) متفاوت است. تولید غلاف‌ها عموماً با شکل‌دهی ورق‌های نازک انجام می‌شود. در این روش پس از شکل‌دهی اولیه نوارهای فولادی به شکل نهایی لوله، با جوشکاری TIG دو سر نزدیک شده جوش خورده و لوله تولید می شود. از آنجاییکه عموماً افت خواص از منطقه جوش (HAZ) ناشی می‌شود، حذف ناخالصی‌هایی چون روغن، چربی از سطوح جوش لازم و ضروری است. وقتی جنس لوله از آلومینیوم و یا آلیاژهای مس باشد، فرآیند کشش جهت تولید لوله نیز توص به کار می‌رود.