Wattová hustota a tepelný design pro sub{0}}nulové aplikace

Jednou z nejčastějších chyb, které lidé dělají při výběru topných těles, je nevěnování pozornosti hustotě wattů, což je množství elektřiny, které vychází z každé čtvereční stopy povrchu. Tento parametr je mnohem důležitější v místech s teplotami pod -40 stupňů, protože ohřívač se musí vypořádat s velkými tepelnými ztrátami a zároveň se vyhnout poškození, ke kterému může dojít, když jsou povrchy příliš horké.

Standardní ohřívače kazet mohou dosahovat hustoty wattů až 63 W/cm² (400 W/in²), což z nich dělá skvělé pro rychlé zahřátí forem na vstřikování plastů a balicích zařízení. Tyto konstrukce s vysokou-hustotou fungují, protože ohřívač je obklopen ohřívanou hmotou, která rychle odvádí teplo od ohřívače. Ale matematika se mění, když je venku zima. Stejný ohřívač se musí vypořádat s tepelnou hmotou ohřívaného dílu a také s konstantní ztrátou tepla do vzduchu při -40 stupních nebo vedením přes konstrukční spojení.


Když zkušení tepelní inženýři začnou své výpočty, použijí základní požadavek na teplo: Q=m × c × ΔT / t, kde Q je watty, m je hmotnost, c je měrné teplo, ΔT je změna teploty a t je čas. Poté přidají část tepelné ztráty, což je koeficient prostupu tepla krát plocha povrchu krát změna teploty od okolního prostředí. Při -40° počasí s větrem mohou být konvekční ztráty větší než množství potřebného konduktivního ohřevu, někdy dokonce zdvojnásobení celkového potřebného wattu.



V praxi to znamená, že topné patrony pro chladné počasí mají obvykle nižší hustotu wattů než ty pro horké teploty, obvykle 10–25 W/cm² místo 40–63 W/cm². Tato opatrná metoda má spoustu výhod. Nižší povrchové teploty zpomalují oxidační proces na odporovém drátu, díky čemuž může ohřívač vydržet roky namísto pouhých měsíců. Důslednější distribuce tepla zastaví horká místa, která narušují izolaci oxidu hořečnatého. A menší rozdíl teplot mezi ohřívačem a okolním vzduchem snižuje tepelné namáhání ohřívané části.

Tyto tepelné skutečnosti je třeba vzít v úvahu při vytváření plánů pro řízení teploty. Když se ohřívač přepne mezi plným výkonem a vypnutím, teplota se může změnit až o ±10 stupňů nebo více. Když je teplota -40 stupňů, doba vypnutí umožní věci rychle vychladnout, což zatěžuje materiály a plýtvá energií jejich zahříváním. Použití polovodičových{10} relé nebo regulátorů výkonu SCR k proporcionálnímu řízení udržuje úrovně výkonu stabilní a přesně odpovídá tepelným ztrátám. To udržuje teploty v rozmezí ±2 stupňů od nastavené hodnoty a snižuje spotřebu energie o 20–30 % ve srovnání s regulací bang-bang.

V těchto případech je umístění termočlánků na správná místa uměním. Umístění senzoru na špičku ohřívače poskytuje nejrychlejší odezvu, ale místo teploty procesu monitoruje teplotu ohřívače. Vložením do horké hmoty získáte přesnější procesní data, ale také přidá zpoždění, které může způsobit překmit. Odpovědí je často použití dvou senzorů: jeden na ohřívači, aby věci byly v bezpečí, a jeden v procesu, aby věci kontroloval. Algoritmus řízení musí najít správnou rovnováhu mezi rychlou reakcí a stabilitou.

V nízkoteplotních instalacích vyžadují chladné zóny zvláštní péči. Když jsou svorkovnice vystaveny -40 stupňům, může být nutné prodloužit nevyhřívanou část na konci přívodu, která má u běžných ohřívačů obvykle 5–10 mm, na 25–50 mm. To zabrání tomu, aby se spojovací bod dostal pod rosný bod, když se hromadí kondenzace a způsobuje elektrické problémy. Některá provedení používají pravoúhlé ohyby nebo nástavce pláště k vedení vedení přes izolované stěny a zároveň udržují aktivní topnou zónu na správném místě.

Řízení tepelné roztažnosti má vliv jak na specifikace ohřívače, tak na konstrukci instalace. Při zahřátí z -40 stupňů na 300 stupňů se 200 mm dlouhé kazetové topné těleso zvětší asi o 2,5 mm. Tento vývoj působí tlakovou silou na ohřívač nebo ohřívanou část, což může způsobit ohnutí ohřívače nebo změnu tvaru ohřívané části. Dobře{8}}navržený ohřívač má na uzavřeném konci průchozí otvory nebo rozpěrnou vůli a na koncovém konci je držen na svém místě, aby nemohl vyjít ven, a přitom se mohl protáhnout na délku.