Baza wiedzy

Dziś poruszymy temat różnic pomiędzy dwoma popularnymi rodzajami materiałów osłonowych grzałek – INCOLOY 825 oraz AISI 316L. Oba rodzaje rur osłonowych są powszechnie stosowane w przemyśle, jednak ich skład chemiczny różni się od siebie.
INCOLOY 825 jest stopem niklu-żelaza-chromu, który charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję oraz działanie agresywnych substancji chemicznych. Z kolei AISI 316L to stal nierdzewna, która również posiada dobrą odporność na korozję, ale jest ona mniejsza niż INCOLOY 825.

Jeśli chodzi o skład, INCOLOY 825 zawiera dodatkowe pierwiastki takie jak miedź i molibden, co sprawia, że jest bardziej odporny na działanie związków siarki oraz kwasów. Natomiast AISI 316L zawiera mniej niklu, chromu i molibdenu względem INCOLOY 825, co może wpływać na jego ogólną trwałość i odporność na korozję.

W przypadku grzałek wykonanych z INCOLOY 825 można więc spodziewać się wyższej odporności na agresywne warunki pracy oraz dłuższej żywotności w porównaniu do AISI 316L. Lepsze właściwości stopu INCOLOY 825 wiążą się jednak z większą ceną względem stopu AISI 316L, warto więc pamiętać, że każdy rodzaj grzałki ma swoje zastosowanie i należy wybrać odpowiedni produkt do konkretnego procesu.

Podsumowując, grzałki wykonane z INCOLOY 825 oraz z AISI 316L to dwa różne produkty, różniące się składem chemicznym oraz właściwościami. Wybór odpowiedniego produktu zależy od warunków pracy oraz wymagań procesu.

Samoregulujące kable grzejne mają zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu oraz gospodarstwach domowych. Ich najbardziej popularnymi zastosowaniami są:

• Ochrona rurociągów przed zamarzaniem
• Ochrona zbiorników przed zamarzaniem
• Utrzymywanie procesów w konkretnych temperaturach.

Zaletą samoregulujących kabli grzewczych jest fakt, że ich moc spada wraz ze wzrostem temperatury, dzięki czemu konkretne modele przewodu nie mogą przekroczyć określonej temperatury dla nich wskazanej.

I am text block. Click edit button to change this text. Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Ut elit tellus, luctus nec ullamcorper mattis, pulvinar dapibus leo.

Rys.1 Maksymalne temperatury robocze dla odpowiednich typów kabli grzejnych

Kable są samoregulujące, więc po co jeszcze jakaś regulacja?
Otóż zastosowanie regulatorów nawet do takich kabli ma jednak często sens.

• Oszczędność energii

W przypadku ochrony przed zamarzaniem rur czy rynien nie ma potrzeby, ani sensu korzystania z kabli grzewczych przez 365 dni w roku. Przy użyciu regulatorów ThermControl Standard lub ThermControl Digital, możemy kontrolować temperaturę otoczenia. Dzięki temu kabel grzewczy włączy się automatycznie dopiero gdy będzie to konieczne, na przykład przy spadku temperatury poniżej 2 stopni Celsjusza.

• Utrzymywanie zbiorników i rurociągów w konkretnych temperaturach

Niektóre procesy technologiczne wymagają utrzymania ściśle określonych temperatur. W takim przypadku element pomiarowy regulatora może mierzyć i kontrolować temperaturę kabla lub zbiornika/rury i wyłączać system grzewczy po osiągnięciu zadanej temperatury.

• Brak uszkodzenia przewodów o stałej mocy

Oprócz samoregulujących kabli grzejnych występują również kable o stałej mocy. Przewody stałej mocy serii ThermTrace Constant i ThermTrace Constant Mini mają stałą liniową moc niezależnie od temperatury. Kable te mogą działać w temperaturze do 225 stopni Celsjusza, lecz jej przekroczenie spowoduje uszkodzenie przewodu i konieczność wymiany instalacji grzewczej.

Podsumowując, nie ma konieczności stosowania regulatorów temperatury do wielu zastosowań samoregulujących kabli grzejnych, ale ich zastosowanie często bywa uzasadnione technicznie lub ekonomicznie.

Wiele obciążnic rezystancyjnych umożliwia regulację poziomu obciążenia poprzez zmienianie liczby włączonych rezystorów (elementów grzejnych) lub ich konfiguracji. Dzięki temu można precyzyjnie dostosować moc obciążenia do wymagań testu.

Zastosowania obciążnic rezystancyjnych:

• Testowanie generatorów:

Używane do symulowania obciążenia, które generator napotka w normalnych warunkach pracy. Dzięki temu można sprawdzić wydajność, stabilność i niezawodność generatora.

• Testowanie zasilaczy i UPS:

Obciążnice rezystancyjne pozwalają na obciążenie zasilaczy awaryjnych (UPS) oraz zasilaczy laboratoryjnych, aby sprawdzić ich zdolność do dostarczania mocy w stabilny sposób.

• Testowanie baterii i akumulatorów:

Obciążnice rezystancyjne są używane do testowania pojemności, wydajności oraz żywotności baterii i akumulatorów. Symulują one obciążenie, jakie akumulator będzie musiał zasilać w rzeczywistych warunkach.

• Kalibracja i diagnostyka:

Służą do kalibracji urządzeń pomiarowych oraz diagnostyki systemów energetycznych, zapewniając stabilne i kontrolowane obciążenie.
Rodzaje elementów grzejnych stosowanych do obciążnic

Rodzaje elementów grzejnych stosowanych do obciążnic

1. Element grzejny otwarty

Elementy grzejne otwarte (zwane też skrętkami grzejnymi) mogą posiadać bardzo duże obciążenie powierzchniowe tzn. dużą gęstość mocy na cm2 powierzchni elementu grzejnego.Są to na ogół elementy grzejne wykonane z drutu oporowego bez zastosowania ceramicznego rdzenia, co znacznie zmniejsza wagę takiego zespołu grzejnego.
Standardowe zespoły grzejne otwarte posiadają moce od 1 do 9 kW.

Ważnymi zaletami takiego rozwiązania są:

• lekka i mała konstrukcja zmniejszająca rozmiar obciąż nicy i ułatwiająca jego mobilność
• duża kondensacja mocy
• krótki czas schładzania po użyciu pozwalający na szybkie zakończenie testu

Rozwiązania takie oczywiście wymagają odpowiedniego chłodzenia poprzez zastosowanie wentylatorów chłodzących.

Wady takiego rozwiązania to:

• rezystory emitują dużą ilość ciepła
• wysoka temperatura elementu grzejnego
• wentylatory emitują wysoki poziom hałasu
• elementy grzejne są w całości są pod napięciem (bez izolacji) co wymaga stosowania odpowiednich izolatorów ceramicznych

2. Rurkowe elementy grzejne bez ożebrowania

Są to elementy rezystancyjne w postaci rurkowego elementu grzejnego z odpowiednio zabudowaną skrętką grzejną (drut oporowy) w zagęszczonej izolacji z tlenku magnezu i rurze osłonowej.
Osłona ta zapewnia dobre własności izolacyjne oraz termiczne.
Rura osłonowa jest wykonana ze stali nierdzewnej odpornej na wysokie temperatury, np. AISI 321 lub Incoloy 800.
Najczęściej tego typu elementy grzejne (grzałki) mają kształt litery „U” lub „M”.
Rurkowe elementy grzejne nie osiągają bardzo wysokich temperatur, co znacznie wydłuża żywotność takich rozwiązań i nie wymagają dużego przepływu powietrza.
Obciążnice z takimi rezystorami znajdują zastosowanie w długotrwałych testach obciążeniowych w trudnych lub zróżnicowanych warunkach klimatycznych.
Często obciążnice zasilane są wysokim napięciem (powyżej 500 V) co eliminuje możliwość zastosowania standardowych średnic elementów grzejnych (8,5 mm).
Stosuje się wtedy elementy grzejne o średnicach od 10 mm do 16 mm.

Selfa jest jednym z niewielu producentów w Europie, którzy oferują grzałki o średnicy 12,5 mm i 16 mm o długościach ponad 6 m.

Zalety takich rozwiązań to:

• duża trwałość w ciężkich zastosowaniach.
• grzałki są izolowane, co zwiększa odporność na wilgoć, brud i zanieczyszczenia
• brak otwartych elementów będących pod napięciem
• mniejsza prędkość wentylatora do chłodzenia elementów, co zmniejsza poziom hałasu.

Wady:

• większe i cięższe niż elementy wykonane z otwartej skrętki grzejnej, co zazwyczaj oznacza większą obudowę obciążnicy dla tej samej wartości mocy.
• znaczna pojemność cieplna elementów grzejnych wymaga dłuższego okresu schładzania po użyciu.

3. Elementy grzejne z radiatorem

Elementy grzejne z radiatorem wykonywane są na bazie standardowych rurkowych grzałek, ale wykorzystują dodatkowe żebra wokół elementu, aby zwiększyć powierzchnię oddawania ciepła. Oznacza to, że element grzejny uzbrojony w radiator może mieć większą moc niż ten sam element grzejny bez radiatora.

Zalety:

• Mniej elementów, aby osiągnąć równoważną wartość kW (mocy) jak elementy obudowane.

Wady:

• Wyższy przepływ powietrza wymagany do chłodzenia elementów, co zwiększa poziom hałasu.

Elastyczne elementy grzejne składają się z materiału oporowego, materiału izolacyjnego, primera, wyprowadzeń prądowych i spoiwa lutowniczego. Mogą być one rozbudowane o części pozwalające na dostosowanie ich do przeznaczenia danego elementu grzejnego. Są to przede wszystkim części montażowe, części kontrolujące temperaturę oraz części izolujące cieplnie element. Dodatkowa izolacja cieplna ma na celu ukierunkowanie działania elastycznego elementu grzejnego.

1. Materiał oporowy

Materiał oporowy jest częścią elementu grzejnego odpowiedzialną za jego rozgrzewanie się. Materiał oporowy w zależności od zastosowania może być w postaci drutu oporowego, skrętki oporowej (uformowanego drutu oporowego) lub ścieżki oporowej. Materiał oporowy rozgrzewa się pod wpływem przepływu przez niego prądu elektrycznego, w związku z czym musi posiadać odpowiednie do zastosowania właściwości fizyczne, takie jak opór właściwy oraz współczynnik temperaturowy rezystancji. Jako materiał oporowy najczęściej wykorzystywane są stopy metali oraz włókna węglowe. W przypadku stopów metali są to przede wszystkim stopy zawierające nikiel i/lub chrom, rzadziej stale austenityczne (np. stop AISI 304). Druty oporowe są wytwarzane głównie ze stopów typu Kanthal oraz Nikrothal. Typ Kanthal obejmuje stopy z żelaza, chromu i glinu (FrCrAl). Zaletami stopów z grupy Kanthal względem stopów z grupy Nikrothal są:

• wyższe maksymalne temperatury pracy w powietrzu (do 1400 °C),
• lepsza trwałość długoterminowa,
• wyższe dopuszczalne obciążenie powierzchniowe,
• lepsze właściwości tlenków powstających w trakcie utleniania się stopu,
• niższa gęstość,
• wyższa oporność,
• wyższa granica plastyczności [1],
• przykładowe stopy z tej grupy to:
  • Kanthal A-1,
  • Kanthal APM,
  • Kanthal D.

Typ Nikrothal obejmuje stopy niklu i chromu (NiCr). Zaletami stopów z grupy Nikrothal względem stopów z grupy Kanthal są:

• wyższa wytrzymałość na pełzanie w wysokich temperaturach,
• lepsza plastyczność po długim okresie pracy,
• wyższa emisyjność,
• niemagnetyczność,
  wyższa odporność na korozję w temperaturze pokojowej [1],
• przykładowe stopy z tej grupy to:
  • Nikrothal 80,
  • Nikrothal 60,
  • Nikrothal 20.

Dodatkowo poza Kanthalem i Nikrothalem można wyróżnić typy CuNi (stopy miedzi i niklu) oraz NiFe (stopy niklu i żelaza), te jednak są rzadziej spotykane i rzadziej wykorzystywane. Ścieżki oporowe w elastycznych elementach grzejnych wytwarzane są w procesie trawienia z folii ze stopów metalicznych, przede wszystkim Inconel 600. Inconel 600 to stop składający się przede wszystkim z niklu (min. 72%), chromu (min. 14%) oraz żelaza (min. 6%). Ścieżki oporowe w elementach grzejnych innych niż elastyczne mogą być wykonane ze spiekanej pasty przewodzącej prąd.

2. Materiał izolacyjny

Jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych elastycznego elementu grzejnego jest izolator. Materiał izolatora ma na celu nadanie elementowi grzejnemu elastyczności jak również odpowiedniego bezpieczeństwa elektrycznego. Najczęściej spotykanym typem materiału izolacyjnego w przypadku elastycznych elementów grzejnych jest guma silikonowa. Guma silikonowa zapewnia odpowiednie właściwości izolacyjne, elastyczne i wytrzymałość mechaniczną. Silikon charakteryzuje się również bardzo dobrą odpornością chemiczną. Przykładowa guma silikonowa wykorzystywana jako materiał izolacyjny dla elastycznego elementu grzejnego charakteryzuje się temperaturą pracy w zakresie od -50 °C do 220 °C oraz wytrzymałością dielektryczną w zakresie od 16 do 39 kV/mm [2]. Na rysunku 1 przedstawiono budowę zbrojonej gumy silikonowej o następujących warstwach: niezwulkanizowana guma silikonowa, zbrojenie z włókna szklanego, zwulkanizowana guma silikonowa.

Rysunek 1. Schemat ułożenia warstwa w materiale Arlon 51276R015 [3].

3. Primer

Primer to środek promujący adhezję niezwulkanizowanego silikonu lub silikonowego środka klejącego do powierzchni metalicznych. Przeznaczeniem primera jest polepszenie adhezji silikonu lub przyśpieszenie procesu narastania adhezji do metalu. Zastosowanie primera gwarantuje silne połączenie silikonu do powierzchni metalicznej.

4. Wyprowadzenia prądowe

Wyprowadzenia prądowe to przewód lub przewody doprowadzające energię elektryczną do elastycznego elementu grzejnego. Istnieje wiele różnych typów przewodów zasilających. Każdy przewód charakteryzuje się kilkoma cechami:

• typ: 1-żyłowy, 2 żyłowy, 3 żyłowy lub więcej;
• pole powierzchni przekroju poprzecznego: 0,50 mm2, 0,75 mm2, 1,0 mm2, 1,5 mm2;
• materiał przewodzący: miedź czysta lub z pokryciami, nikiel, srebro;
• materiał izolujący: silikon, silikon wysokotemperaturowy, włókno szklane, teflon itp.

W celu dobrania odpowiedniego przewodu do danego modelu elementu grzejnego poza konstrukcją (np. uziemienie) należy kierować się względami dopuszczalnego obciążenia i wymaganiami wobec izolacji przewodu Wyprowadzenia prądowe są montowane do elastycznego elementu grzejnego. Obecnie najpowszechniej stosowaną metodą montażu wyprowadzeń prądowych do elastycznych elementów grzejnych jest lutowanie miękkie. Lutowanie to metoda trwałego łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Lutowanie miękkie charakteryzuje się temperaturą lutowania poniżej 450 °C. Do lutowania miękkiego wykorzystuje się stop lutowniczy. Główną grupę stopów lutowniczych stanowią stopy cyny, charakteryzujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia: od około 180 °C do 250 °C w zależności od stopu. Najpopularniejszymi stopami lutowniczymi cyny są:

• stopy cyny z ołowiem (tzw. „cyna ołowiowa”): Sn60Pb40, Sn63Pb37, Pb50Sn50;
• stopy cyny z miedzią: Sn97Cu3, Sn99,3Cu0,7;
• stopy cyny ze srebrem i miedzią: Sn96,5Ag3Cu0,5, Sn99Cu0,7Ag0,3.

Spoiwa lutownicze do lutowania miękkiego występują w postaci drutów lutowniczych o różnych średnicach, płaskowników lub prętów.

5. Elementy dodatkowe

Do konstrukcji podstawowego elastycznego elementu grzejnego mogą być dodane dodatkowe części, rozbudowując go i dostosowując do docelowego miejsca pracy i przeznaczenia. Do elementów dodatkowych zalicza się:

• elementy montażowe – są to wszystkie dodatkowe części umożliwiające zamontowanie elastycznego elementu grzejnego w miejscu przeznaczenia, np.: sprężyny napinające, haki, taśmy samoprzylepne typu PSA (ang. Pressure Sensitive Adhesive), metalowe oczka, plastikowe opaski zaciskowe;
• elementy sterujące pracą elementu grzejnego – wszystkie dodatkowe części pozwalające na pośrednie lub bezpośrednie sterowanie pracą elementu grzejnego poprzez kontrolę temperatury na jego powierzchni, np.: termostaty bimetalowe, termistory, kontrolery temperatury, czujniki PT100, termopary, czujniki PTC lub NTC;
• izolatory cieplne – dodatkowe materiały izolujące cieplnie mające za zadanie ukierunkowanie grzania elementu, w tym celu stosowane są między innymi dodatkowe warstwy spienionego silikonu.

Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy silikonowy element grzejny wyposażony w sterowanie temperatury oraz sprężyny napinające.

Rysunek 2. Silikonowy element grzejny wyposażony w sterownik temperatury oraz napinające sprężyny umożliwiające montaż w postaci opaski [źródło własne].

Bibliografia:

1. Kanthal Handbook – Heating Alloys for Electric Household Appliances, Kanthal AB, 2003;
2. Arlon – Flexible Heater Substrate Guide, Rogers Corporation;
3. ARLON FLEX HEATER SUBSTRATE SPECIFICATION 51276R015 – karta techniczna

T.D.

Specjalista ds. Badań i Rozwoju

Selfa GE S.A.