المنت حرارتی

تاریخچه المنت حرارتی

در سال 1879، توماس ادیسون از رشته های کربنی برای روشن کردن لامپ رشته ای خود استفاده کرد. از آن جا که این رشته ها حرارت نیز تولید می کردند، اختراع اولین المنت حرارتی به او نسبت داده شده است. ولی ما از این گونه المنت ها تا قرن بعد برای تولید گرما استفاده نکردیم ولی روی اشکال حرارت کار کردیم.

فرایندی که به واسطه آن حرارت دهی عمل می کند، ابتدا توسط جولیوس مایر و جمیز پرسکات ژول در اواخر قرن نوزدهم به عنوان اولین قانون ترمودینامیک توصیف شد. اندکی بعد، مخترعان آن عصر شروع کردند به بهره گیری از قوانین ترمودینامیک جهت تولید المنت های حرارتی. برای مثال، در سال 1868، نقاشی از لندن، به نام بنجامین وادی موگان، اولین آب گرم کن گازی را ساخت. ولی از آن جا که فاقد سیستم تهویه بود که گازها را پراکنده کند، برای استفاده خانگی ایمن نبود. 21 سال بعد، ادوین رود، یک آمریکایی-نروژی، اولین آب گرم کن الکتریکی را اختراع کرد که بسیار بهتر کار می کرد.

یکی از اولین المنت های حرارتی کشف شده که هنوز امروز مورد استفاده قرار می گیرد، سیلیکون کاربید است. این ماده سال 1891 توسط مخترع آمریکایی ادوارد جی. اچسون کشف شد که آن را به صورت تصادفی هنگام سنتز الماس کشف کرد. درعوض چیزی که به دست آورد یک ماده مصنوعی بود که به شدت سخت و مناسب کاربردهای دمای بالا و نیمه رسانایی بود. دهه بعد، در سال 1905، آلبرت مارش نیکروم (کرومل) را کشف کرد. از آن جا که نیکروم می توانست به دماهایی 300 برابر بالاتر از المنت های رقیب آن زمان برسد، باعث انقلابی در صنعت شد. در سال 1906، مارش پتنت کشف خود را دریافت کرد. دقیقا سه سال بعد، جنرال الکتریک شروع به فروش اولین توستر الکتریکی موفق با استفاده از نیکروم کرد. مدتی بعدتر، تولیدکنندگان کتری ها را برقی کردند. ابتدا، باید آن ها را با المنت های زغالی گرم می کردند اما بعدا المنت های حرارتی درون آن ها جای داده شدند.

در ابتدا، المنت های حرارتی تنها توسط کسب و کارهای بسیار پردرآمد مورد استفاده قرار می گرفتند. ولی طی شکوفایی اقتصادی بعد از جنگ جهانی دوم، وسایل الکتریکی با المنت های حرارتی به بازار سرازیر شدند و در خانه ها رایج گشتند. سه وسیله حرارتی رایج آن زمان عبارت بودند از: بخاری های میله ای، رادیاتورهای الکتریکی و رادیاتورهای سیار روغنی. در دهه 1950، گرمایش میله تابشی بسیار محبوب بود زیرا مدل های آن سیار بودند و هرجایی قابل اتصال بودند. علاوه بر این، آن ها به سرعت حرارت تولید می کردند. ولی، درحالی که از بخاری های مصرف کننده سوخت کم خطرتر بودند، از حائل حفاظتی کافی برخودار نبودند، و امکان سوختگی کاربران وجود داشت. همین طور، اگر کسی آن ها را می انداخت یا لباس کسی روی آن ها می افتاد، به آسانی آتش سوزی به وجود می آمد. امروز، برخی افراد هنوز از بخاری های میله ای استفاده می کنند ولی باید استانداردهای ایمنی بسیار بالاتری نسبت به دهه پنجاه رعایت کنند. از بخاری های میله ای، بخاری های المنت سیمی بسیار دیگری به وجود آمد، مثل بخاری های فروسرخی که امروز استفاده می کنیم.

در دهه 60، همچنان که صاحبان خانه ها بیش از پیش به گرمایش خانه وابستگی می یافتند، قیمت ها افزایش شدیدی یافت. تولیدکنندگان در بریتانیا، برای پایین آوردن هزینه ها، نوع جدیدی از بخاری اختراع کردند با عنوان ذخیره ساز حرارت. ذخیره سازها با استفاده از المنت های حرارتی الکتریکی کار می کردند که آجرهای گرمایشی را طی شب درون بدنه گرمایشی حرارت می دادند و بعد طی روز کاربران می توانستند حرارت را در صورت نیاز بدون مصرف الکتریسیته بیشتر آزاد کنند. در دهه 70، دولت های سراسر جهان با بحران نفت روبرو شدند، و درنتیجه به سراغ المنت های حرارتی الکتریکی بیشتری رفتند. در نهایت، ذخیره سازهای حرارتی از دور خارج شدند زیرا نیازمند کارکرد دستی بودند و به اقدامات پیش بینی کننده زیادی از سوی کاربران نیاز داشتند. علاوه بر این، دررابطه با انرژی کارآمد نبودند. با آغاز دهه 90، مردم شروع کردند به جایگزینی سیستم های حرارتی صنعتی و خانگی خود با رادیاتورهای الکتریکی مدرن تر که کنترل آن ها آسان تر است، سریع تر گرم می کنند و کارآمدی انرژی بیشتری دارند. یک نوآوری دیگر دهه 90 چاپ صفحه ای شیارهای فلزی-سرامیکی روی فلز عایق شده با سرامیک بود. المنت های حرارتی به وجود آمده به این صورت، به صورت گسترده در وسایل خانگی مثل کتری ها مورد استفاده قرار می گیرند.

رشد دیجیتالی قرن بیست و یکم این امکان را برای سیستم ها و المنت های حراتی به وجود آورده که بسیار حساس تر، آسان تر و کارآمدتر شوند. مجموعه های المنت حرارتی اکنون شامل صفحات LED، کنترل وای-فای، سنجشگرهای هوشمند، کیپدهای دیجیتالی و برنامه های دیجیتالی برای زمان بندی حرارت هستند. ویژگی های این چنینی امکان می دهند المنت های حرارتی مدرن با دقت و پیچیدگی بی مانند کار کنند. یک تمایز دیگر المنت های حرارتی قرن بیست و یکم، این مسئله است که بسیار کمتر متکی به سوخت های فسیلی هستند، زیرا پایداری، کارآمدی انرژی و سلامتی اهمیت بسیار بیشتری یافته اند.

انواع المنت حرارتی

انواع المنت های حرارتی که در کاربردهای صنعتی، تجاری و مصرفی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: ایمرسیون، کوارتز، انعطاف پذیر، فروسرخ، سیمی، سرامیکی، الکتریکی، مبتنی بر فلز و المنت های حرارتی ترکیبی و موارد دیگر.

المنت حرارتی ایمرسیون

المنت های حرارتی ایمرسیون برای حرارت دادن گازها و مایعات مورد استفاده قرار می گیرند؛ آن ها دارای توانایی خاصی هستند که در موادی که حرارت می دهند غوطه ور شوند بی آن که دچار نقص گردند. بخاری های ایمرسیونی با مشخصه حرارت دهی سریع، کارآمد و مقرون به صرفه شناخته می شوند. انواع موادی که عموما حرارت می دهند شامل آبکاری، اسیدهای ملایم، روغن، آب، نمک ها، هوا، و محلول های شیمیایی است. المنت های حرارت ایمرسیونی در درجه اول در سیستم هایی به کار می روند مثل: سیستم های حرارتی، دیگ های بخار، آب گرم کن، سیستم های انتقال حرارت، حرارت دهنده روغن، و تانک های ذخیره.

المنت گرمایشی کوارتز

المنت های حرارتی کوارتز جریان الکتریکی را با عبور دادن آن ها از مقاومت های خاص، به پرتوهای فروسرخ تبدیل می کنند. با انجام این کار، گرمایش سریع را به وجود می آورند. این فرایندهای سریع باعث محبوب شدن آن ها برای استفاده در کاربردهای صنعتی مثل آب زدایی فیلم، ترموفرمینگ، لایه گذاری پودری، آب بندی چسبی، و خشک سازی رنگ و همین طور کاربردهای کنترل منطقه ای در صنایع خودروسازی، رنگ، پتروشیمی، نساجی، شیشه و الکترونیک شده است.

المنت حرارتی انعطاف پذیر

المنت های حرارتی انعطاف پذیر قادر هستند با طیفی از ترکیبات و شکل ها پیوند برقرار کنند و حرارت دهی مستقیم ارائه نمایند. این انعطاف پذیری از آن جهت ممکن شده است که آن ها بسیار باریک و قابل خم شدن هستند.

المنت حرارتی فروسرخ

المنت های حرارتی فروسرخ حرارت را به صورت امواج فروسرخ منتشر می کنند که نوعی تابش الکترومغناطیسی شناخته شده به خاطر انتقال کارآمد انرژی هستند. المنت های حرارتی فروسرخ به همراه بخاری های تابشی مثل کانالی، ایمرسیون و بخاری های لوله ای استفاده می شوند که هوا یا مایع را در مقیاس زیاد حرارت می دهند. آن ها از اجاق های صنعتی، حرارت دهی ظرف فشار، حرارت دهی تانک ذخیره، دیگ های بخار، تاسیسات تصفیه آب و تولید بخار و مانند آن پشتیبانی می کنند.

المنت گرمایشی سیمی

المنت های حرارتی در حالت رایج، از هر نوع که باشند، به شکل کویل یا سیم یافت می شوند. المنت های گرمایش سیمی جزو پراستفاده ترین المنت های حرارتی برای خشک کن های صنعتی و تجاری هستند. برای تهیه آن ها، تولیدکنندگان با نمودارهای سیمی نقشه آن ها را مشخص می کنند. آن ها در بسیاری از بخاری های سطحی، کوره ها، و بسیاری از سایر خشک کن ها یافت می شوند.

المنت حرارتی سرامیکی

نوع دیگری از المنت حرارتی، المنت حرارتی سرامیکی، در گرمایش همرفت مورد استفاده قرار می گیرد؛ المنت های سرامیکی در بخاری های فضا، کوره ها و نیمه رساناها جای داده می شوند. این ها چند نوع المنت حرارتی سرامیکی شامل مولیبدن دی سیلیسید و PTC هستند.

المنت مولیبدن دی سیلیسید

مولیبدن دی سیلیسید، ماده ای است که ویژگی های فلز و سرامیک را نشان می دهد. با داشتن نقطه ذوبی بسیار بالا (دقیقا 3690° F) برای تعدادی از المنت های حرارتی با ظرفیت بالا، ایده آل در نظر گرفته می شود و در طیفی از صنایع ازجمله تولید شیشه استفاده می شود.

PTC

PTC، که به ضریب گرمایی مثبت برای مقاومت بسط می یابد، یک ماده سرامیکی مهم است که در بخاری های یخ زدای شیشه عقب خودروها، بخاری های فضا و سشوارهای گران به کار می رود. سرامیک های PTC مبتنی بر پلیمر نیز وجود دارند که در بسیاری از بخاری های دارای کاربرد خاص به کار می روند. این المنت ها گرمایش را با بالا رفتن مقاومت، افزایش می دهند. کنترل گرمایش این المنت ها ساده است، علت این امر آن است که آن ها مجموعه ای برای بخاری های الکتریکی خودتنظیم هستند.

المنت گرمایش الکتریکی

المنت های گرمایش الکتریکی نیز نسبتا رایج هستند، به ویژه در بخاری های الکتریکی صنعتی

بخاری های کارتریجی

بخاری های کارتریجی حرارت موضعی برای بخش های تجهیزات در تولید فلزات، فوم، پلاستیک، فرآوری و بسته بندی غذا فراهم می کنند.

المنت های گرمایشی مبتنی بر فلز

همان طور که از نام آن پیدا است، مجموعه های بخاری مبتنی بر فلز در درجه اول متشکل از فلزات هستند. از آن جا که فلز عموما رسانای خوبی برای حرارت و الکتریسیته است، المنت های مبتنی بر فلز جزو موثرترین المنت های حرارتی هستند. از آن ها در کاربردهای روزانه و صنعتی  استفاده می شود. می توان آن ها را به زیرمجموعه های بسیاری تقسیم کرد از جمله المنت های حرارتی مبتنی بر نیکروم و المنت های مقاومت و المنت های گرمایشی مبتنی بر سیم.

المنت حرارتی نیکروم

تعداد زیادی از بخاری های الکتریکی دارای المنت هایی متشکل از نیکروم هستند که آلیاژی متشکل از نیکل و کروم است. بخاری های مبتنی بر نیکروم از آلیاژی با 80% نیکل و 20% کروم استفاده می کنند.

المنت گرمایشی سیم مقاومت

برخی قطعات مبتنی بر فلز، متشکل از مجموعه ای از سیم های مقاومت بالا هستند. این سیم ها بنا به طراحی و ظرفیت گرمایشی وسیله می توانند پیچیده یا مستقیم باشند. این سیم ها به عنوان مقاومت مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهایی که در آن ها می توانید چنین المنت هایی بیابید، شامل توسترها و ماساژورهای دستی بدن هستند. کانتال، نیکروم و کاپرونیکل چند مورد از پراستفاده ترین فلزات در رابطه با سیم های مقاومت هستند.

بخاری های کویلی

بخاری های کویلی یا بخاری های نواری کمک می کنند کانال های خارج شونده، خمیرسانی مواد را حین خروج حفظ کنند.

المنت های گرمایش ترکیبی

المنت های گرمایش ترکیبی المنت های گرمایشی هستند که متشکل از آمیزه ای از مواد فلزی و سرامیکی می باشند. این المنت های حرارتی در انواع بسیاری موجود هستند از جمله المنت های لوله ای، المنت های رادیواکتیو و المنت های گرمایشی با هسته سرامیکی قابل حذف

المنت حرارتی لوله ای

المنت های لوله ای اساسا لوله های فلزی با کویل باریکی از نیکروم هستند که باعث گرم شدن کاربرد مد نظر می شود. المنت های گرمایشی لوله ای که به خاطر شکل لوله های خود نام گذاری شده اند، در اجاق ها، دستگاه های ظرف شوی و مانند آن قابل یافت هستند. می توان آن ها را به شکلی استاندارد درآورد یا ممکن است شکل خاصی براساس کاربرد مد نظر بگیرند.

المنت حرارتی رادیواکتیو

المنت های رادیواکتیو که با نام لامپ حرارتی نیز شناخته می شوند، لامپ های رشته ای توان بالا هستند که بیشتر امواج فروسرخ تابش می کنند، که نور مرئی نیست. اغلب، از آن ها در بخاری های فضا و انواع بسیاری از گرم کننده های غذا استفاده می شود. آن ها دارای دو شکل اصلی هستند: لامپ لوله ای و رفلکتور R40. المنت های حرارتی لامپ رفلکتور دارای چند شکل اصلی هستند: لایه طلایی، لایه سرخ یاقوتی و شفاف.

لامپ های لایه طلایی دارای لایه چندرنگی طلای رسوب کرده در داخل آن است. این مسئله باعث کاهش نور مرئی می شود و بیشتر امواج فروسرخ کوتاه و متوسط را عبور می دهد . این ها در درجه اول برای گرم کردن افراد استفاده می شوند.
لامپ های لایه یاقوتی دارای همان عملکرد لامپ های لایه طلایی هستند. آن ها بسیار ارزان تر از لامپ های لایه طلایی هستند، اما نور مرئی بیشتری عبور می دهند.
لامپ های شفاف فاقد لایه هستند، و بیشتر در فرایندهای تولید صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.
المنت با هسته حرارتی قابل حذف

این المنت های حرارتی متشکل از سیم مقاومت پیچیده شده هستند که در یک یا تعداد بیشتری بخش سرامیکی استوانه ای تابانده شده اند و ممکن است دارای میله مرکزی باشند یا نباشند. آن ها زمانی که در یک لوله یا غلاف قرار گیرند که انتهای بسته باشد، کار می کنند. به همین دلیل، کاربران می توانند المنت های قابل حذف را به آسانی تعویض یا تعمیر کنند بدون این که هراسی از خراب کردن چیزی داشته باشند. معمولا، از آن ها برای حرارت دادن سیال تحت فشار استفاده می شود.

المنت ترکیبی فیبر کربنی

این المنت های حرارت متشکل از ترکیبی از فیبر کربنی و یک فلز مقاوم مثل نیکل، یک ترموستات مثل اپوکسی یا یک ترموپلاستیک مثل PEEK هستند. المنت های ترکیبی فیبر کربنی معمولا نسبت به خوردگی و دمای شدید مقاوم هستند و وزن کمی دارند. از آن ها اغلب در یخزدایی هواپیما، گرمایش مصرف کننده و گرمایش صنعتی استفاده می شود.