المنت گرمایشی چیست؟ بررسی انواع المنت بخاری برقی

تأمین گرمایش در فصل‌های سرد سال با تجهیزات مختلفی صورت می‌گیرد که بخاری برقی یکی از مهم‌ترین و قدیمی‌ترین آنهاست. در خرید بخاری برقی باید به نکات مهمی دقت کرد. در مقاله ده ویژگی مهمی که هنگام خرید بخاری برقی باید بدانید راجع به این نکات مهم توضیح داده شده است. اما اصلی‌ترین بخش هیتر یا همان بخاری، عنصر حرارتی است که با نام المنت گرمایشی در بازار می‌شناسیم. المنت گرمایش وسیله‌ای است که مستقیماً انرژی الکتریکی را به گرما یا انرژی حرارتی از طریق اصلی که به نام گرمایش ژول یا اهمی می‌شناسیم، تبدیل می‌کند. گرمایش ژول پدیده‌ای است که در آن هادی در اثر عبور جریان الکتریکی گرما تولید می‌کند. همانطور که جریان الکتریکی از مواد عبور می‌کند، الکترون‌ها یا سایر حامل‌های بار با یون‌ها یا اتم‌های هادی (همان المنت) برخورد می‌کنند و باعث ایجاد اصطکاک در مقیاس اتمی می‌شوند. سپس این اصطکاک به‌صورت گرما ظاهر می‌شود. قانون اول ژول (ژول-لنز) برای توصیف مقدار گرمای تولید شده از جریان الکتریسیته در یک رسانا استفاده می‌شود. که به شکل زیر بیان می‌شود:

P = IV or P =I²R

طبق این معادله، مقدار گرمای تولید شده به جریان و ولتاژ یا مقاومت هادی بستگی دارد. در طراحی المنت گرمایش، مقاومت مهمترین عامل است.

انواع المنت بخاری برقی

انواع مختلف عناصر گرمایش را می‌توان بر اساس مواد استفاده شده در ساخت آنها طبقه‌بندی کرد که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. انواع عناصر گرمایشی اصلی به شرح زیر است:

•  فلزی
• سرامیکی و نیمه هادی
• فیلم ضخیم
• PTC پلیمری
• مرکب

در ادامه این المنت‌ها و انواع‌ آن‌ها را شرح می‌دهیم:

المنت فلزی گرمایشی

عناصر گرمایشی فلزی معمولاً یک سیم پیچ، نوار باریک (مستقیم یا موجدار) یا نوار سیمی هستند که مانند فیلامت لامپ گرما را از خود خارج می‌کنند. آنها در وسایل گرمایشی رایج مانند گرمایش از کف، سقف، توستر، سشوار، کوره‌های صنعتی، خشک‌کن‌ها و… استفاده می‌شوند. متداول‌ترین مواد مورد استفاده برای تولید آن‌ها عبارتند از:

•  آلیاژ نیکل-کروم: اکثر المنت‌های گرمایش فلزی از نیکروم 80/20 (80٪ نیکل، 20٪ کروم) به شکل سیم یا نوار تولید می‌شوند. NiCr 80/20 یک ماده ایده آل است زیرا مقاومت نسبتاً بالایی دارد و هنگام گرم شدن در اولین بار، یک لایه چسبنده از اکسید کروم را تشکیل می‌دهد. مواد زیر این لایه اکسید نمی‌شوند بنابراین از شکستن یا سوختن سیم المنت جلوگیری می‌کنند.
•  آلیاژ FeCrAl: آلیاژهای FeCrAl یا آلیاژهای آلومینیوم کروم آهن، آلیاژهای فرومغناطیسی هستند که خواص مقاومت الکتریکی آنها مشابه آلیاژهای نیکل کروم است که آن‌ها را برای کاربردهای گرمایش الکتریکی مناسب می‌کند. اگرچه عدم وجود نیکل آنها را ارزان‌تر از آلیاژهای نیکل کروم می‌کند، اما مستعد خوردگی می‌باشند.
•  آلیاژ CuNi: آلیاژ CuNi یا مس نیکل با مقاومت الکتریکی کم و ضریب مقاومت در دمای پایین مشخص می‌گردد. این المنت مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون و خوردگی شیمیایی دارد و برای گرمایش در دمای پایین استفاده می‌شود.
• فویل اچ: عناصر گرمایش فویل اچ شده از همان آلیاژهای عناصر سیم مقاومتی ساخته می‌شوند، اما با استفاده از فرآیند فتواچینگ کاهشی تولید می‌گردند. این فرآیند با یک ورقه پیوسته از فویل فلزی آغاز شده و با یک الگوی مقاومت مرکب برای المنت حرارتی به پایان می‌رسد. این عناصر گرمایش معمولاً در کاربردهای گرمایش دقیق مانند تشخیص پزشکی و هوافضا یافت می‌شوند.

المنت گرمایش سرامیکی و نیمه هادی

• مولیبدن دی‌سیلیسید: MoSi حاصل ترکیب بین فلزی، یک سیلیسید مولیبدن، یک سرامیک نسوز است که عمدتاً در عناصر گرمایشی استفاده می‌شود. دارای چگالی متوسط، نقطه ذوب 2030 درجه سانتیگراد و رسانای الکتریکی است. در دماهای بالا یک لایه غیرفعال از دی اکسید سیلیکون تشکیل می‌دهد که از اکسیداسیون بیشتر محافظت می‌کند. از کاربردهای این نوع عناصر گرمایشی می‌توان به کوره های عملیات حرارتی، تولید شیشه، پخت سرامیکی و کوره‌های نیمه هادی اشاره کرد.
• سیلیکون کاربید: این المنت در مقایسه با بخاری‌هایی با المنت فلزی دمای عملیاتی بیشتری را تولید می‌کند. عناصر گرمایش کاربید سیلیکون امروزه در عملیات حرارتی فلزات، ذوب شیشه و فلزات غیرآهنی، تولید سرامیک، تولید شیشه فلوت، ساخت قطعات الکترونیکی، آبگرمکن‌ها، جرقه زن بخاری گازی و غیره استفاده می‌شود.
•  PTC: کلمه PTC کوتاه شده عبارت positive thermal coefficient است که به دلیل ضریب مقاومت حرارتی مثبت، به این شکل نامگذاری می‌شوند. ضریب دمایی مثبت مواد گرمایشی، اغلب کامپوزیت‌های تیتانات باریم و تیتانات سرب، به این معنی است که مقاومت آنها با گرم شدن افزایش می‌یابد. در حالی که اکثر سرامیک‌ها دارای ضریب دمایی منفی هستند، این مواد پاسخ حرارتی بسیار غیرخطی دارند. بالاتر از دمای آستانه وابسته به ترکیب، مقاومت آنها به سرعت در هنگام گرم شدن افزایش می‌یابد. این رفتار باعث می شود که ماده به عنوان ترموستات خود عمل کند زیرا جریان زمانی که خنک است عبور می‌کند و وقتی گرم است جریان رد نمی‌شود.
• هالوژن کوارتز: بخاری های هالوژن کوارتز برای تامین گرمایش و سرمایش تابشی استفاده می‌شود و در بیشتر بخاری‌های جدید به کار می‌رود. این المنت‌ها در عرض چند ثانیه گرم و خنک می‌شوند و به طور ویژه برای سیستم‌هایی که نیاز به کارکرد بدون تاخیر و سریع دارند، مناسب هستند. البته خروجی حرارت آنها نیز بسیار بالا است و راندمان گرمایشی خوبی دارند.

المنت گرمایشی فیلم ضخیم

فیلم ضخیم (Thick film) از المنت‌های گرمایش مقاومتی هستند که می‌توانند روی یک بستر نازک چاپ شوند و نسبت به عناصر مقاومتی با روکش فلزی معمولی مزیت‌هایی دارند. این المنت‌ها با یکنواختی دما، پاسخ حرارتی سریع به دلیل جرم حرارتی کم، مصرف انرژی کم، چگالی توان بالا و طیف گسترده‌ای از سازگاری ولتاژ شناخته می‌شوند. به طور معمول، المنت‌های گرمایش فیلم ضخیم بر روی بسترهای مسطح و روی لوله ها چاپ می شوند.

این فیلم‌ها را می‌توان بر روی انواع زیرلایه‌ها از جمله فلز، سرامیک، شیشه، پلیمر با استفاده از خمیرهای فیلم ضخیم فلزی یا آلیاژی چاپ کرد. رایج‌ترین بسترهای مورد استفاده برای چاپ المنت‌های فیلم ضخیم آلومینیوم، استیل و ورق های میکای مسکویت و فلوگوپیت است و همین تنوع بستر باعث تفاوت در گرمایش و سایر ویژگی‌های آن‌ها شده است. این المنت‌ها را علاوه بر بخاری در انواع رطوبت‌ساز، خشک کن، سشوارهای صنعتی، تجهیزات آزمایشگاهی، دستگاه‌های مه زدا، آینه‌های خودرو، اتو، اجاق گاز، مبدل حرارتی و… می‌توان استفاده کرد.

عناصر گرمایش PTC پلیمری

بخاری های مقاومتی را می‌توان از مواد لاستیکی PTC رسانا ساخت که مقاومت آنها با افزایش دما به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. چنین بخاری‌های مقاومتی قدرت بالایی تولید می‌کنند و به سرعت تا دمای ثابت گرم می‌شوند. با توجه به افزایش نمایی مقاومت در هنگام گرم شدن، یک بخاری پلیمری PTC هرگز نمی‌تواند خودش را از یک دمای بیشتری گرم کند، زیرا بالاتر از این دما، لاستیک به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می‌کند. این دما را می‌توان در طول تولید انتخاب کرد که معمولاً بین 0 تا 80 درجه سانتی گراد است.

المنت های گرمایش پلیمری PTC بخاری های خود تنظیم نقطه‌ای و بخاری های خود محدود شونده هستند. خود تنظیم به این معنی است که یک دما را به طور مستقل به عنوان یک دمای ثابت، بدون نیاز به تنظیم الکترونیکی حفظ می‌کند. خود محدود شوندگی به این معنی است که بخاری هرگز نمی‌تواند از دمای خاصی در هیچ نقطه ای تجاوز کند و نیازی به محافظت در برابر گرمای بیش از حد ندارد.

عناصر گرمایش کامپوزیت

المنت گرمایشی لوله‌ای غلاف‌دار معمولاً از یک سیم پیچ ریز حرارتی مقاومتی از جنس کروم نیکل تشکیل می‌شود که در داخل یک لوله فلزی از آلیاژهای مس یا فولاد ضد زنگ مانند آلیاژ NiCrFe قرار دارد و توسط پودر اکسید منیزیم عایق شده است. برای حفاظت در برابر رطوبت، انتهای المنت به از مواد عایق مانند سرامیک یا لاستیک سیلیکونی یا ترکیبی از هر دو به کار رفته است.

در انتها ذکر این نکته لازم است که این مقاله تنها به چند المنت حرارتی رایج پرداخته است و موارد بسیار دیگری نیز وجود دارد که برای تولید المنت بخاری استفاده می‌گردد.