بدون شک یکی از تأثیرگذارترین اختراعات در حوزه گرمایش و صنایع برقی مدرن المنت حرارتی است. اگر تا به حال به ساختار داخلی بخاری برقی، توستر، آبگرمکن برقی، انواع خشک کننده‌ها و سایر تجهیزاتی که از انرژی الکتریکی برای تولید گرما استفاده می‌کنند، دقت کرده باشید؛ حتماً یکی از نمونه‌های المنت برقی را در آن‌ها دیده‌اید. اما آیا تا به حال برای شما این سوال مطرح شده است که المنت حرارتی چیست و چگونه کار می‌کند؟
عملکرد المنت حرارتی چگونه است؟
المنت حرارتی وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را مستقیماً به گرما یا انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. این وسیله برای انجام ماموریت فوق از یکی از اصل‌های علم فیزیک به نام گرمایش ژول بهره می‌برد. گرمایش ژول پدیده‌ای است که در آن، ماده هادی در اثر جریان الکتریکی گرما تولید می‌کند. همانطور که جریان الکتریکی از مواد عبور می‌کند، الکترون‌ها یا سایر حامل‌های بار با یون‌ها یا اتم‌های‌هادی برخورد می‌کنند و باعث ایجاد اصطکاک در مقیاس اتمی‌می‌شوند. سپس این اصطکاک به صورت گرما در سطح هادی ظاهر می‌شود.
گرمایش ژول در تمام مواد رسانا وجود دارد اما با شدت‌های متفاوتی خود را نشان می‌دهد. البته برخی از انواع هادی که آن‌ها را با عنوان ابر رسانا می‌شناسیم فاقد این ویژگی هستند زیرا مقاومت الکتریکی در آن‌ها بسیار ناچیز است. بر اساس این قضیه می‌توان این گونه نتیجه گرفت که هادی‌هایی که مقاومت بیشتری دارند، گرمای بیشتری هم تولید می‌کنند. معمولا گرمای رساناها به عنوان اتلاف انرژی طبقه بندی می‌شود زیرا به جای انجام یک عمل مشخص صرف ایجاد حرارت می‌شود. اما در المنت حرارتی از این اتلاف انرژی (مقاومت جریان) استفاده می‌کنیم و تا نهایت جریان الکتریکی صرف تولید حرارت تبدیل شود.
المنت‌های حرارتی چه ویژگی‌هایی دارند؟
تقریباً همه رساناها در هنگام عبور جریان الکتریکی قادر به تولید گرما هستند. با این حال، همه هادی‌ها برای تبدیل شدن به المنت حرارتی مناسب نیستند. ترکیب صحیح خواص الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی برای عملکرد صحیح المنت‌های حرارتی باید رعایت شود تا نتیجه مور انتظار به دست بیاید. در زیر خواص مهم برای طراحی یک المنت حرارتی کارا و مفید برشمرده شده است.
1. مقاومت جریان الکتریکی
برای تولید گرما در المنت حرارتی، هادی باید دارای مقاومت الکتریکی کافی باشد؛ با این حال، مقاومت نباید آنقدر زیاد باشد که تبدیل به عایق شود. برای این منظور مقاومت ضرب شده در طول هادی را بر سطح مقطع هادی تقسیم می‌کنیم تا میزان کارایی مقاومت آن را بدست بیاوریم. بنابراین در هنگام استفاده از هادی‌های با سطح مقطع یکسان، هرچه قدر که طول المنت حرارتی کاهش پیدا کند، باید از هادی با مقاومت بالاتری استفاده کرد.
2. مقاومت در برابر اکسیداسیون
به طور کلی گرما سبب تسریع اکسیداسیون در فلز‌ها و سرامیک‌ها می‌گردد. این فرایند می‌تواند باعث تحلیل رفتن المنت حرارتی شود، در نتیجه ظرفیت تولید حرارت در آن کاهش می‌یابد. حتی در موارد شدیدتر ممکن است خطراتی را برای ایمنی افراد ایجاد کند. بنابراین برای ساخت المنت حرارتی انتخاب‌های محدودی را پیش رو داریم، زیرا باید از هادی‌هایی استفاده کنیم که هم مقاومت جریان کافی را فراهم کنند و هم نسبت به اکسیداسیون مقاوم باشند. متخصصان در سال‌های اخیر به یک راه حل جالب دست پیدا کردند و آن هم استفاده از آلیاژ‌های مقاوم به اکسیداسیون در سطح هادی‌ها بود. برای این منظور آلیاژ‌های SiO2 یا Al2O3 جزء رایج‌‌ترین گزینه‌های مورد استفاده در ساختار المنت حرارتی به شمار می‌روند.
3. ضریب مقاومت دما
در شرایط غیر آزمایشگاهی و محیط‌های طبیعی، میزان مقاومت مواد با افزایش یا کاهش دما تغییر می‌کند. در هادی‌ها مقاومت در نتیجه افزایش دما، بیشتر می‌شود. این پدیده بر روی برخی از دستگاه‌هایی که از المنت حرارتی استفاده می‌کنند تأثیر قابل توجهی دارد. به عنوان مثال ضریب مقاومت دمایی بالاتر، بیشتر برای حسگر‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد اما برای دستگاه‌هایی که با هدف تولید گرما ساخته می‌شوند بهتر است مقدار ضریب مقاومت دمایی المنت کمتر باشد تا با طولانی‌تر شدن زمان استفاده از وسایل حرارتی شاهد اختلال عملکرد آن‌ها نباشیم.
4. ویژگی‌های مکانیکی
هر چه المنت حرارتی سخت‌تر باشد، در دماهای بالاتر تغییر شکل آن رایج‌تر است. در نتیجه به مرور زمان تضعیف شده و ویژگی‌های عملکردی خود را از دست می‌دهد. یک المنت حرارتی خوب باید بتواند فرم خود را حتی در دماهای بالا حفظ کند. علاوه بر این، شکل پذیری المنت حرارتی به ویژه برای المنت‌های حرارتی فلزی یک ویژگی مکانیکی مطلوب است؛ زیرا سازنده را قادر می‌سازد تا آن‌ها را در طرح‌ها و ساختار متفاوت مورد استفاده قرار دهند.
5. نقطه ذوب
به طور معمول با افزایش مداوم کارکرد المنت حرارتی، دمای آن افزایش پیدا می‌کند (زیرا مقاومت جریان در هادی بیشتر می‌شود) بنابراین باید از موادی استفاده نمود که علاوه بر رعایت ویژگی‌های پیشین، نقطه ذوب قابل قبولی داشته باشند. به طور معمول سرامیک‌ها نقطه ذوب مناسب‌تری نسبت به آلیاژ‌های فلزی دارند، اما گرانتر و استفاده از آن‌ها محدودیت‌های بیشتری دارد.
بهترین مواد برای ساخت المنت‌های حرارتی
با توجه به 5 ویژگی که در بخش قبل ذکر شد، انتخاب‌های ما برای استفاده از متریال مناسب برای ساخت المنت حرارتی محدود می‌شود. هرچند که با گسترش علم و ظهور آلیاژ‌های جدید تنوع گزینه افزایش یافته است، اما همچنان نمیتوان از هر نوع رسانایی برای ساخت المنت حرارتی استفاده کرد. زیرا ویژگی‌های ماده مورد نظر تا حد زیادی به اهداف ساخت المنت حرارتی و گرمای مورد انتظار از آن بستگی دارد. به طور معمول برای ساخت المنت‌های حرارتی از مواد زیر استفاده می‌شود:
- آلیاژ نیکل کروم (Ni-Cr)
- آلیاژ آهن، کروم، آلومینیوم (Fe-Cr-Al)
- دی سیلیس مولیبدن (MoSi2) که یک سرم نسوز (کامپوزیت سرامیکی-فلزی) است
- کاربید سیلیکون (SiC)
- گرافیت
- مولیبدن، تنگستن و تانتالیم
- مواد با ضریب حرارتی مثبت (PTC)
برای اطلاعات بیشتر و مشاهده آگهی‌های مربوط به المنت حرارتی، کلیک کنید.
328 بازدید
الهه زینالی
