Materialevidenskabelige beslutninger i ekstreme-temperaturpatronvarmere
Læg en besked
Hvis man taler om industriel opvarmning, ville nogen nok bringe "rustfrit stål", som var det én ting. I virkeligheden vælger producenter af patronvarmere fra en række legeringer, som hver især er bedst egnet til et vist område af temperaturer og kemiske forhold. Disse materialevalg afgør, om varmeren holder i årevis eller går i stykker i måneder, når den bruges ved -40 grader.
Til de fleste industrielle anvendelser er 304 rustfrit stål det bedste materiale at bruge. Den har 18% krom og 8% nikkel, hvilket gør den meget modstandsdygtig over for oxidation op til 800 grader og holder den robust ved meget lave temperaturer. Den austenitiske struktur stopper den duktile-til-skøre overgang, der sker med kulstofstål, så kappen splintres ikke, når den starter kold op eller gennemgår termisk cyklus. Til de fleste industrielle anvendelser i kolde klimaer, såsom udendørs maskiner, køleudstyr og generel procesopvarmning, er 304 den optimale blanding af ydeevne og omkostninger.
Tilføjelse af 2-3 % molybdæn til den originale 304-sammensætning gør 316L rustfrit stål langt mere modstandsdygtigt over for klorider og industrielle kemikalier. Dette er også vigtigt i kystnære situationer, kemisk forarbejdning eller fødevareapplikationer, hvor salt eller sure rengøringsmidler kan beskadige almindeligt rustfrit stål. "L" står for lavt kulstofindhold (mindre end 0,03 %), hvilket forhindrer hårdmetal i at dannes under svejsning, hvilket kan starte korrosion. 316L er de ekstra 20-30 % omkostninger værd, da det holder længere i patronvarmere, der er udsat for både -40 graders og korrosive miljøer.
Incoloy 800 og 840 er de bedste muligheder for hårde job. Nikkel-jern-chromlegeringer har 30-35 % nikkel, mens rustfrit stål kun har 8-10 %. Dette gør dem bedre til at modstå oxidation og karburering ved høje temperaturer. Mere afgørende for brug i koldt vejr, bevarer de deres fantastiske mekaniske styrke og duktilitet, selv når temperaturen ændrer sig meget. Den høje nikkelkoncentration gør den også modstandsdygtig over for termisk stød, hvilket er det, der sker, når en varmelegeme tænder og slukker i -40 grader.
3.jpg Delene indeni bruger materialer, der er lige så specifikke. Modstandstråden er normalt lavet af NiCr 80/20, som er 80 % nikkel og 20 % krom. Dette materiale blev valgt, fordi det har ensartede modstandsegenskaber og kan modstå oxidation op til 1200 grader. FeCrAl (jern-chrom-aluminium) og andre legeringer kan klare højere maksimale temperaturer til en lavere pris, men de er mindre duktile, og deres modstand ændres hurtigere, når temperaturen ændres. NiCr 80/20 er stadig industristandarden for ensartet ydeevne i temperaturer fra -40 grader til +800 grader.
Magnesiumoxidisolering kan ligne et almindeligt materiale, men renhedsniveauerne kan være meget forskellige. MgO af teknisk kvalitet har urenheder, der sænker dets varmeledningsevne og dielektriske styrke. Høj-ren MgO fra specialiserede producenter, såsom Tateho fra Japan og UCM fra Storbritannien, har en termisk ledningsevne på mere end 6 W/m·K og en isoleringsmodstand på mere end 10¹⁴ Ω·cm ved 20 grader. I systemer med mange watt pr. kvadrattomme er denne renhed meget vigtig, fordi den forhindrer varmen i at sætte sig fast mellem ledningen og kappen og forhindrer elektriciteten i at bryde ned.
Blytrådsisolering skal vælge de rigtige materialer mere end nogen anden type isolering. Den skal forblive fleksibel ved -40 grader og kunne klare 250 grader ved varmerens tilslutningspunkt. Standard PVC fejler på begge punkter: det bliver skørt under -10 grader og smelter ved 105 grader. Silikonegummi kan bøjes ved -60 grader og forblive på den måde ved 200 grader, men det kan ikke klare at blive ridset. Svaret er at bygge det af kompositter med glasfiberfletning til varmebestandighed og silikone- eller teflonbelægning til beskyttelse mod kemikalier og vand. Ren nikkelkernetråd med mineralisolering (MI-kabel) kan klare temperaturer fra -200 grader til +600 grader og er fuldstændig vandtæt.
Nikkel-mangan eller rene nikkellegeringer bruges til terminalben og interne forbindelser. Disse legeringer matcher de termiske ekspansionsegenskaber af den rustfri kappe og giver elektriske kanaler, der ikke ruster. Messing- eller kobberterminaler er billigere, men når de bruges sammen med rustfrit stål, danner de galvaniske korrosionsceller. De bliver også hårdere, da de opvarmes og afkøles, hvilket kan forårsage forbindelsesproblemer.
