การให้ความร้อนด้วยความต้านทาน

การให้ความร้อนด้วยความต้านเป็นวิธีให้ความร้อนด้วยการใช้ประโยชน์จากการกำเนิดความร้อนด้วยปรากฏการณ์ Joule ของกระแสไฟฟ้าในวัตถุที่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ต่อกับแหล่งจ่ายไฟโดยตรง แบ่งเป็นวิธีให้ความร้อนทางอ้อมโดยถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจาก Heating Element ไปยังวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน กับวิธีให้ความร้อนความต้านทานโดยตรงซึ่งจะผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในวัตถุที่ต้องการให้ ความร้อนโดยตรงเพื่อให้ความร้อน

แหล่งความร้อนในการให้ความร้อนด้วยความต้านทานทางอ้อม เรียกว่า Heating Element ในการนำ Heating Element ไปใช้งาน นอกจากต้องพิจารณาอุณหภูมิใช้งานสูง และความหนาแน่นของภาระความร้อนที่พื้นผิว ยังต้องมีความเข้าใจคุณลักษณะของ Heating Element เป็นอย่างดีด้วย เนื่องจากบรรยากาศที่ใช้งานมักจะมีผลอย่างมากต่ออายุการใช้งาน

การให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง เป็นการผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปโดยตรงในวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน เครื่องจักรจะมีลักษณะไม่ซับซ้อนและมีประสิทธิภาพสูง สามารถให้ความร้อนได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม กรณีที่วัตถุที่ต้องการให้ความร้อนมีค่าความต้านทานต่ำ จะทำให้ประสิทธิภาพการให้ความร้อนมีค่าต่ำไปด้วย ดังนั้น การใช้งานจึงถูกจำกัดด้วยคุณลักษณะความต้านทานของวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน เช่น ความต้านทานจำเพาะ พื้นที่หน้าตัด ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้า เป็นต้น หลักการทำงานของการให้ความร้อนด้วยความต้านทานแสดงไว้ในรูปที่ 1

ในรูปที่ 1 เมื่อมีกระแสไฟฟ้า I [A] ไหลในวงจรแล้ว ที่ Heating Element ในกรณีของการให้ความร้อนด้วยความต้านทานทางอ้อม และที่วัตถุที่ต้องการให้ความร้อนในกรณีของการให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง จะเกิดความร้อนของ Joule ดังต่อไปนี้

โดยในที่นี้ R คือ ความต้านทาน [Ω] ของ Heating Element หรือวัตถุที่ต้องการให้ความร้อนในกรณีของการให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง

ตารางที่ 1 ประเภทของการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าและวัตถุประสงค์การใช้งาน

ถ้าให้ความต้านทานจำเพาะของ Heating Element หรือวัตถุที่ต้องการให้ความร้อนในกรณีของการให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรงเท่ากับ ρ [Ω·m] ให้ความยาวเท่ากับ L [m] ให้พื้นที่       หน้าตัดเท่ากับ S [m²] แล้ว ค่าความต้านทาน R จะเท่ากับ

ในการให้ความร้อนด้วยความต้านทานทางอ้อม ความร้อนของ Joule ที่เกิดขึ้นที่ Heating Element จะถ่ายเทไปสู่วัตถุที่ต้องการให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสีและการพาความร้อนเป็นหลัก

หากจะแบ่งประเภทของอุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยความต้านทานหรือเตาความต้านทานอย่างละเอียดถูกต้องแล้วจะมีความยุ่งยากมาก แต่โดยทั่วไปเตาที่ใช้วิธีให้ความร้อนความต้านทานทางอ้อม จะเรียกว่า เตาความต้านทาน

เตาความต้านทานสามารถให้ความร้อนแต่วัตถุชนิดใดก็ได้ การควบคุมเดินเครื่อง ทำได้ง่าย และควบคุมอุณหภูมิได้สะดวก จึงมีการนำไปใช้ในง่ายต่างๆ อย่างแพร่หลาย

ระบบเตาความต้านทานโดยทั่วไปจะประกอบด้วยอุปกรณ์ดังรูปที่ 2 และมักจะติดตั้งอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น ไทริสเตอร์ ฯลฯ ดังรูปที่ 2 (ก) เพื่อควบคุมกำลังไฟฟ้าให้เปลี่ยนแปลง อย่างต่อเนื่องและสามารถปรับอุณหภูมิของเตาได้อย่างเที่ยงตรง

การให้ความร้อนด้วยความต้านทานทางอ้อมสามารถให้ความร้อนแก่วัตถุที่มีรูปร่าง ซับซ้อนได้ด้วยอุณหภูมิที่เที่ยงตรง นอกจากนี้ ยังปรับบรรยากาศในการให้ความร้อนได้สะดวก และต้นทุนเครื่องจักรมีมูลค่าต่ำ แต่เตาแบบนี้ไม่เหมาะกับการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว

การให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรงเหมาะกับการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วด้วยอุณหภูมิสูง และมีประสิทธิภาพการให้ความร้อนสูง แต่มีข้อจำกัดในเรื่องวัสดุและรูปร่างของวัตถุที่จะให้ความร้อน และจะควบคุมอุณหภูมิให้ความร้อนระหว่างบริเวณใกล้ๆ กับขั้วไฟฟ้ากับบริเวณอื่นๆ ให้เท่ากันได้ยาก

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยความต้านทาน

เตาความต้านทานสำหรับให้ความร้อนทางอ้อม โดยทั่วไปจะแบ่งได้เป็นเตาทั่วไปที่ใช้ Heating Element โลหะหรืออโลหะ กับเตาที่ใช้ ตัวกลางพิเศษเป็น Heating Element เช่น เตา Salt Bath เตา Kryptol Furnace เป็นต้น ตัวอย่างของเตาที่ใช้วิธีให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง ได้แก่ เตา Graphitizing Furnace เตาผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ เตาหลอมแก้ว เป็นต้น

(1) เตาความต้านทาน การควบคุมบรรยากาศในเตา

เตาความต้านทานจะข้อได้เปรียบกว่าเตาเผาหลายประการ จึงมีการใช้งานในสาขาต่างๆ อย่างแพร่หลาย ประเภทของเตาความต้านทานแยกตามวัตถุประสงค์การใช้งานแสดงไว้ในตารางที่ 2

เมื่อให้ความร้อนแก่โลหะด้วยอุณหภูมิภายใต้บรรยากาศปกติ จะเกิดปรากฏการณ์ที่ ไม่พึงประสงค์ขึ้น เช่น การออกซิเดชั่น หรือ Decarbonization เป็นต้น บางครั้งจึงทำการให้ความร้อนภายใต้บรรยากาศเฉื่อยหรือก๊าซที่มีคุณสมบัติรีดักชั่น นอกจากนี้เพื่อเพิ่มความแข็งพื้นผิวและคุณสมบัติในการทนต่อการสึกหรอ ฯลฯ ของโลหะให้ดีขึ้น ในการทำ Carburization หรือ Nitrogenation ฯลฯ ก็จะมีการปรับสภาวะบรรยากาศให้เหมาะกับวัตถุประสงค์ด้วย นอกจากนี้ ถ้าต้องการให้ความร้อนโดยไม่ให้เกิดการออกซิเดชั่น โดยมากจะใช้วิธีให้ความร้อนในสูญญากาศ

เตาความต้านทานจำนวนมากจะมีการควบคุมสภาพบรรยากาศภายในเตาตามที่ได้อธิบายไปแล้ว นอกจากนี้ ในการควบคุมสภาพบรรยากาศภายในเตา จะต้องระมัดระวังเรื่องวัสดุที่ใช้ทำ Heating Element และวัสดุทนไฟ ไม่ให้สภาพบรรยากาศไปทำให้วัสดุดังกล่าวเกิดความเสียหาย ก๊าซที่ใช้เป็นบรรยากาศควบคุมได้แก่ H2, N2, Ar, NH3 เป็นต้น

ในการให้ความร้อนโลหะโดยไม่ให้เกิดการออกซิเดชั่น การกำจัดสิ่งเจือปนที่พื้น ผิวโลหะ ฯลฯ การให้ความร้อนภายใต้สูญญากาศเป็นวิธีที่มีประสิทธิผลดี เตาสูญญากาศมีใช้กันอย่าง แพร่หลายในอุตสาหกรรมในการทำให้อ่อนของวัสดุแม่เหล็ก เหล็กกล้าสเตนเลส ทองแดงและโลหะผสมของทองแดง โลหะผสมของไททาเนียม ฯลฯ และในกรรมวิธีความร้อนของเหล็กกล้าสำหรับความเร็วสูง เหล็กกล้าสำหรับทำเครื่องมือ เป็นต้น

(2) การให้ความร้อนด้วยความต้านทานทางอ้อมแบบพิเศษ

(ก) เตา Salt Bath

เกลือเป็นสารที่หลอมเหลวที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำกลายเป็นของเหลวที่นำไฟฟ้าได้ ในกรณีที่ต้องการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ เช่น กรรมวิธีความร้อนของโลหะ ฯลฯ จะใช้เกลือหลอมเหลวเป็น Heating Element ตัวอย่างของเกลือที่ใช้กัน ได้แก่ NaNO3, KNO3, CaCl2, NaCl, KCl, KF, NaCO3 หรือของผสมของเกลือข้างต้น เกลือเหล่านี้จะไม่นำไฟฟ้าที่อุณหภูมิปกติ ดังนั้น จึงต้องทำให้หลอมเหลวด้วยวิธีที่เหมาะสมก่อนแล้วจึงจ่ายไฟฟ้าให้ นอกจากนี้ เกลือยังมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานเป็นลบ ดังนั้น จึงต้องต่อ Series Reactor อนุกรมไว้ด้วย

รูปตัวอย่างเตาเผาแบบ Salt Bath

(ข) เตา Kryptol Furnace

นำเม็ดกราไฟต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 mm ใส่ในเตาที่ทำจากอิฐทนไฟ แล้วจ่ายไฟฟ้าให้จากขั้วไฟฟ้าทั้งสองด้าน เพื่อให้ความร้อนแก่วัตถุดิบที่หมกรวมกับกับเม็ดกราไฟต์ เตา Kryptol Furnace สามารถให้ความร้อนด้วยอุณหภูมิสูงพอสมควรด้วยการใช้วัสดุและโครงสร้างแบบนี้

(ค) เตา Fluidized Bed Furnace

เมื่อนำผงคาร์บอนที่ไม่เป็นผลึก (ขนาด 20-100 mesh) ใส่ในเตาเป็นจำนวนหนึ่งแล้วพ่นก๊าซที่มีความดันค่าหนึ่งเข้าไปในเตาผ่านทางวัสดุทนไฟที่อากาศสามารถผ่านได้ซึ่งติดตั้งอยู่ที่ก้นเตาแล้ว ผงคาร์บอนจะอยู่ในสภาวะ Fluidized ทำให้เกิด Fluidized Bed ขึ้น นอกจากนี้ Fluidized Bed นี้ยังนำไฟฟ้าได้อีกด้วย เมื่อป้อนไฟฟ้าผ่านแผ่นขั้วไฟฟ้าที่ติดตั้งไว้ในเตา จะสามารถให้ความร้อนได้ ก๊าซที่ใช้นอกจากอากาศแล้วยังสามารถใช้ NH3, H2S, C3H8 ฯลฯ ได้อีกด้วย เตาแบบนอกนี้จากจะใช้ในกรรมวิธีความร้อนทั่วไปของโลหะแล้ว ยังสามารถใช้ทำ Nitrogenation, Sulfurizing, Carburization ฯลฯ ได้อีกด้วย

(3) การให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง

ในการให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรง กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน และวัตถุจะถูกให้ความร้อนความร้อนของ Joule ที่เกิดขึ้น อุณหภูมิของตัววัตถุที่ต้องการให้ ความร้อนจะเพิ่มขึ้นสูงที่สุด และยังเกิดปรากฏการณ์ Self-Lining อีกด้วย วิธีนี้สามารถให้ความร้อนได้ที่อุณหภูมิสูงโดยไม่ถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิทนไฟของผนังเตามากนัก

เตา Graphitizing Furnace ในรูปที่ 3 จะนำวัสดุคาร์บอนที่เผาแล้วไปอัดไว้ใน Packing Coke แล้วจ่ายกระแสไฟฟ้าให้วัสดุโดยตรงเพื่อให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิถึง 3,000°C วัสดุจะกลายเป็นกราไฟต์ ใช้ในการผลิตขั้วไฟฟ้าสำหรับเตาอาร์ก ขั้วไฟฟ้าสำหรับ Electrolytic Bath แปรงถ่านสำหรับมอเตอร์และเครื่องปั่นไฟ เป็นต้น กระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่จะไหลผ่านวัสดุคาร์บอน และเนื่องจากวัสดุถูกล้อมด้วย Packing Coke แม้จะให้ความร้อนด้วยอุณหภูมิเช่นนี้ผนังเตาก็ยังสามารถทนได้

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยความต้านทานโดยตรงนอกเหนือจากนี้ ได้แก่ เตาผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ เตาหลอมแก้ว เป็นต้น

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทแทนและอนุรักษ์พลังงาน

การให้ความร้อนด้วยความต้านทาน