Electrical Heater: วัสดุสำหรับอุปกรณ์ให้

ความร้อนด้วยไฟฟ้า

การทำความร้อนด้วยไฟฟ้า (Electrical Heater) มีวัสดุอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องในการกำเนิดความร้อนหลายส่วนดังนี้

1. ตัวกำเนิดความร้อน (heating Element)

Heating Element หมายถึงวัตถุที่มีวัตถุประสงค์ในการกำเนิดความร้อนด้วยการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมันเอง โดยทั่วไปคุณสมบัติหลักของวัสดุที่ใช้ทำ Heating Element ได้แก่

• ทนต่อการออกซิเดชั่นได้ดีที่อุณหภูมิสูง
• เปลี่ยนรูปร่างน้อยที่อุณหภูมิสูง
• มีความต้านทานจำเพาะสูง
• มีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานต่ำ
• สามารถแปรรูปได้ง่าย

Heating Element จะเลือกใช้ให้เหมาะสมกับอุณหภูมิใช้งาน บรรยากาศในเตา ฯลฯ ในการออกแบบขนาดและรูปร่างของ Heating Element จะต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าเนื่องจากอุณหภูมิ รวมทั้งกำหนดอุณหภูมิใช้งานของ Heating Element ให้เหมาะสม เพื่อให้มีอายุการใช้งานได้นานตามที่กำหนดอีกด้วย

electric elements on an electric furnace

Source : http://i.ytimg.com/vi/XMxKXauSK6k/maxresdefault.jpg

ความหนาแน่นภาระพื้นผิวหรือความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าต่อพื้นที่ผิวหนึ่งหน่วยของ Heating Element เป็นค่าที่เป็นเกณฑ์สำคัญค่าหนึ่งในการออกแบบ Heating Element

(1) Heating Element โลหะ

Heating Element พวกโลหะผสม Nichrome และเหล็ก-โครเมียม โดยทั่วไปจะใช้กันมากในบรรยากาศปกติ (บรรยากาศที่มีคุณสมบัติออกซิเดชั่น) ภายใต้อุณหภูมิไม่เกิน 1200-1300°C ในการใช้งานพิเศษ เช่น อุณหภูมิสูง ฯลฯ จะใช้โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น โมลิบดินัม ทังสเตน แทนทาลัม ฯลฯ หรือใช้ทองคำขาว เป็นต้น อย่างไรก็ตาม โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงทุกชนิด เช่น โมลิบดินัม ฯลฯ จะไม่ทนต่อการออกซิเดชั่น จึงต้องใช้งานในบรรยากาศแบบปกป้องหรือในสูญญากาศ ประเภทและคุณลักษณะของ Heating Element โลหะแสดงไว้ในตารางที่ 1

Heating Element แบบ Nichrome สามารถนำไปแปรรูปได้ดี และมีการเปลี่ยนรูปน้อยระหว่างการใช้งาน และแม้จะใช้งานไปแล้วที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานก็ไม่เปราะแตกง่าย ขณะที่ Heating Element แบบเหล็ก-โครเมียมจะทนต่อการออกซิเดชั่นได้ดีที่อุณหภูมิสูง แต่โดยทั่วไปจะเปราะและเปลี่ยนรูปได้ง่าย

ตารางที่ 1 ประเภทและคุณลักษณะของ Heating Element โลหะ

หมายเหตุ : ค่าคุณลักษณะของ Heating Element โลหะผสมมีลักษณะเป็นช่วงเนื่องจากส่วนผสมของโลหะผสมไม่เหมือนกัน

(2) Heating Element อโลหะ

ตัวอย่างของ Heating Element อโลหะ ได้แก่ Silicon Carbide, Molybdenum Silicide, สารประกอบออกไซด์ เป็นต้น (ตารางที่ 2) โดย Silicon Carbide เป็น Heating Element อโลหะสำคัญ ที่สามารถใช้งานได้ในอากาศจนถึงอุณหภูมิ 1,600°C มีรูปร่างเป็นแบบแท่ง แบบขดเกลียวเป็นทรงกระบอก เป็นต้น ที่ปลายจะเจือ (Siliconizing) ซิลิกอนไว้เพื่อให้มีความต้านทานต่ำและเกิดความร้อนน้อยลง
เมื่อใช้งานไปเป็นเวลานาน บริเวณที่กำเนิดความร้อนจะค่อยๆ สึกกร่อนไปเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ทำให้มีความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปเมื่อความต้านทานมีค่าเพิ่มขึ้นถึง 4 เท่าของตอนแรกจะถือว่าหมดอายุการใช้งาน เราสามารถยืดอายุการใช้งานได้ด้วยการเคลือบผิวหน้าของบริเวณที่กำเนิดความร้อน เพื่อให้ชั้นที่เคลือบนั้นช่วยปกป้องให้เกิดการออกซิเดชั่นน้อยลง
Heating Element แบบ Molybdenum Silicide ทำจากผง Molybdenum Silicide (MoSi2) นำมาอัดขึ้นรูปแล้วนำไปทำ Sintering ภายใต้บรรยากาศที่ไม่มีคุณสมบัติออกซิเดชั่น เช่น ก๊าซไฮโดรเจน ฯลฯ Heating Element แบบนี้สามารถใช้งานในอากาศได้ถึงอุณหภูมิ 1,700-1,800°C ตัวอย่างค่าความต้านทานจำเพาะคือ ที่ 20°C : 3.0 × 10-5 Ω·cm ที่ 1,000°C : 22.0 × 10-5 Ω·cm ที่ 1,600°C : 36.5 × 10-5 Ω·cm

Heating Element แบบ Zirconia มี ZrO2 เป็นองค์ประกอบหลัก แล้วเติม CaO หรือ Y2O3 เพื่อทำให้เสถียร สามารถใช้งานในอากาศได้ถึงอุณหภูมิ 2,400°C อย่างไรก็ตาม เนื่องจากที่อุณหภูมิต่ำจะมีความต้านทานจำเพาะสูง จึงต้องเพิ่มอุณหภูมิให้สูงถึงประมาณ 1,000°C ด้วย Auxiliary Heating Element นอกจากนี้ เนื่องจากสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานมีค่าเป็นลบ จึงต้องต่อ Saturable Reactor อนุกรมเอาไว้ด้วย

ตารางที่ 2 ประเภทและคุณสมบัติของ Heating Element อโลหะ

2. ฉนวนความร้อน

การทำให้อุปกรณ์ให้ความร้อนและเตามีประสิทธิภาพสูง จะต้องพยายามกั้นฉนวนความร้อนให้ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้ และยังต้องคำนึงถึงความจุความร้อนของเตาให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์การใช้งานอีกด้วย โดยทั่วไปการกั้นฉนวนความร้อนให้ดีจะหมายถึงการเพิ่มความหนาของฉนวนความร้อน แต่เมื่อทำเช่นนั้นเตาจะมีความจุความร้อนเพิ่มขึ้น ทำให้ต้องใช้กำลังไฟฟ้ามากขึ้นในการเพิ่มอุณหภูมิของตัวเตา ดังนั้นจึงต้องระมัดระวังในการออกแบบเตาที่เดินเครื่องแบบ Batch

ในการให้ความร้อนด้วย (เตา) ไฟฟ้า จะมีการใช้วัสดุทนไฟ ฉนวนความร้อน และวัสดุเก็บความร้อนร่วมกันให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์การใช้งาน ฉนวนความร้อนที่ใช้กันมากในการอนุรักษ์ พลังงาน ได้แก่ ไฟเบอร์เซรามิก(เส้นใย Alumina-silica) เนื่องจากสามารถทนอุณหภูมิได้สูงและสัมประสิทธิ์การนำความร้อนและความจุความร้อนมีค่าต่ำ

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทแทนและอนุรักษ์พลังงาน

Electrical Heater: วัสดุสำหรับอุปกรณ์ให้

ความร้อนด้วยไฟฟ้า