Dlaczego standardowe grzejniki zamarzają przy ekstremalnie niskich temperaturach

Pomyśl o ośrodku badawczym na Antarktydzie lub elektrowni gazowej na Syberii. Sprzęt jest-najwyższej klasy, a inżynieria bardzo staranna, jednak systemy grzewcze ciągle się psują, gdy temperatura spada do -40 stopni. Większość grzejników może bez problemu wytrzymać temperatury do 800 stopni (1472 stopni F), dlatego maksymalna temperatura zwykle nie stanowi problemu. Problem polega na możliwości uruchomienia na zimno, zarządzaniu rozszerzalnością cieplną i zachowaniu materiałów w bardzo niskich temperaturach.

Standardowe grzejniki kasetowe oczekują, że temperatura początkowa będzie temperaturą pokojową. Ich projektanci obliczają, ile miejsca potrzeba na rozszerzalność cieplną w temperaturach roboczych, a nie na kurczenie się, które ma miejsce, gdy rtęć spada do -40 stopni. Metalowa powłoka kurczy się bardziej niż rdzeń ceramiczny wewnątrz, co może pozostawić szczeliny wypełnione wilgocią. Po włączeniu zasilania wilgoć zamienia się w parę, która niszczy izolację tlenku magnezu i powoduje zwarcia. Niskotemperaturowe grzejniki kasetowe rozwiązują ten problem, wybierając odpowiednie materiały i upewniając się, że poradzą sobie w pełnym zakresie temperatur od -40 stopni do +800 stopni.


Wybór materiału osłony staje się kwestią równowagi. W przypadku większości zastosowań stal nierdzewna 304 jest doskonałym wyborem, ponieważ nie rdzewieje i jest niedroga.. 316Z drugiej strony stal nierdzewna L jest lepiej odporna na chlorki i chemikalia przemysłowe, dlatego lepiej sprawdza się w warunkach morskich lub chemicznych. Stopy Incoloy 800 lub 840 to idealny wybór w przypadku najbardziej ekstremalnych warunków, w tym elementów grzejnych narażonych zarówno na temperatury kriogeniczne, jak i środowiska korozyjne. Są odporne na utlenianie w wysokich temperaturach i wytrzymałe w niskich temperaturach. Te stopy niklu-żelaza-chromu zachowują swoje właściwości mechaniczne nawet przy częstym wzroście i spadku temperatury, co mogłoby spowodować uszkodzenie innych materiałów.

W zimne dni zakończenie elektryczne to kolejne miejsce, w którym może coś pójść nie tak. Przy -20 stopniach izolacja PVC na standardowych przewodach staje się krucha i pęka. Grzejniki kasetowe na dobre-warunki pogodowe wykorzystują izolację z kompozytu włókna szklanego i silikonu, która wytrzymuje ciągłą pracę w temperaturze 250 stopni i pozostaje elastyczna w temperaturze -60 stopni. Zamiast zwykłych żywic epoksydowych, które rozpadają się po zamrożeniu, przejście od przewodu ołowiowego do korpusu grzejnika wykorzystuje masy zalewowe przeznaczone do cykli termicznych.

Wybierając gęstość watów dla zastosowań poniżej zera, należy zachować szczególną ostrożność. Grzejniki o dużej-gęstości (do 63 W/cm²) dobrze sprawdzają się w przypadku szybkiego podgrzewania form wtryskowych z tworzyw sztucznych, jednak sprzęt używany w niskich temperaturach często sprawdza się lepiej w przypadku projektów o niższej-gęstości. Obciążenie powierzchniowe wynoszące 12 W/cm² zapobiega wrzeniu płynów hydraulicznych w jednym miejscu lub rozkładowi olejów smarowych pod wpływem ciepła. Nie chodzi o to, aby uzyskać najwyższą temperaturę; ma to na celu równomierne rozprowadzenie ciepła, tak aby gradienty termiczne nie naprężały materiału.

Kompletny przewodnik i spojrzenie techniczne na grzejniki kasetowe.jpg Sposób instalacji grzejnika jest tak samo ważny jak rodzaj zakupionego grzejnika. Wywiercone otwory muszą mieć prześwit od +0.02 mm do +0.05 mm nad średnicą grzejnika, aby umożliwić rozszerzalność cieplną bez pozostawiania szczelin powietrznych. Każda szczelina większa niż 0,1 mm działa jak izolacja termiczna, powodując wyższą temperaturę grzejnika niż powinna i przyspieszając utlenianie drutu oporowego. Łatwiej jest konserwować grzejniki z pierścieniami ustalającymi lub złączami gwintowanymi w mroźnych miejscach, gdzie ich demontaż w celu wymiany jest trudny.

Strategie kontroli termicznej bardzo różnią się od tych stosowanych w klimacie umiarkowanym. Podstawowe termostaty bimetaliczne nie mają dokładności wymaganej w procesach wrażliwych na zmiany temperatury. Przekaźniki-półprzewodnikowe z przełączaniem krzyżowym- zerowym ograniczają zakłócenia elektromagnetyczne i wydłużają żywotność grzejników, eliminując szok termiczny wynikający z nagłej zmiany zasilania. Podczas ogrzewania sprzętu laboratoryjnego lub części samolotu, gdzie zmiana o ±2 stopnie może zmienić wyniki, ważne jest użycie grzejników kasetowych z wbudowanymi-termoparami, aby uzyskać dokładne profile temperatury.

Ludzie na ogół zapominają o specyfikacji długości dla obszarów nieogrzewanych. Standardowe konstrukcje mają chłodne strefy o średnicy od 5 do 10 mm na końcu przewodu, aby zapobiec nadmiernemu nagrzaniu terminala. W miejscach, w których temperatura wynosi -40 stopni, wydłużenie tej nieogrzewanej części o 25–50 mm pozwala utrzymać temperaturę połączeń powyżej punktu rosy, co zapobiega tworzeniu się kondensacji w obudowach elektrycznych. W niektórych konstrukcjach zastosowano przedłużenia osłony pod kątem prostym lub wygięte kształty, aby odsunąć przewody od chłodnych powierzchni, zapewniając jednocześnie dobre przenoszenie ciepła w obszarze roboczym.