Environnements-à haute température : repousser les limites de la cartouche chauffante de 28 mm

Que se passe-t-il lorsque la température de fonctionnement dépasse 500 degrés et comment maintenir le fonctionnement d'une cartouche chauffante ?


La plupart des travaux de chauffage industriel fonctionnent bien entre 100 degrés et 400 degrés. Lorsqu’il est installé correctement, un chauffe-cartouche simple tête en acier inoxydable de base fonctionne bien pendant des années à ces températures.

Mais certains usages nécessitent davantage. Le moulage sous pression-, le formage du verre, certains procédés chimiques et les plastiques qui fonctionnent à des températures très élevées doivent tous fonctionner à 500 degrés, 600 degrés, voire plus, pendant une longue période. Les cartouches chauffantes standard éclatent rapidement à ces extrêmes.

Quiconque travaille avec des processus thermiques difficiles doit savoir ce que la cartouche chauffante à tête unique de grand diamètre de 28 mm peut et ne peut pas faire dans des températures-élevées.

Que se passe-t-il lorsque la température augmente ?
À mesure que la température augmente, chaque élément d’une cartouche chauffante doit travailler plus fort.

Matériel pour la gaine. Au-dessus de 500 degrés, l'acier inoxydable standard (304, 316) commence à perdre sa résistance et sa capacité à résister à l'oxydation. La gaine peut devenir cassante et une desquamation de la surface peut se produire. Une dégradation rapide se produit lorsque vous le faites fonctionner pendant une longue période à 600 degrés. Les gaines Incoloy® (grades 800 et 840) restent solides et ne rouillent pas jusqu'à environ 800 degrés. Des alliages de nickel-chrome ou des superalliages uniques sont nécessaires pour les températures les plus chaudes.

Isolation en MgO. L'isolation en oxyde de magnésium est assez stable et ne fond pas avant d'atteindre 2 800 degrés. Mais lorsque la température est élevée, le MgO peut devenir un peu conducteur, ce qui diminue la résistance de l'isolant. Cet effet disparaît lorsque la température baisse, mais il peut créer des déclenchements gênants sur défaut de terre dans les systèmes de contrôle sensibles. Le MgO avec une quantité contrôlée d’humidité fonctionne mieux à des températures élevées.

Du fil qui résiste. Le fil qui résiste à la chaleur est la partie la plus sensible à la température. Au-dessus de 600 degrés, le fil NiCr standard (80/20 nickel-chrome) s'oxyde rapidement. Pour continuer à travailler au-dessus de ce point, vous avez besoin d'alliages spéciaux comme le NiCrFe ou de qualités personnalisées à haute température-.

Résiliations. L’endroit où les fils électriques rejoignent le fil de résistance est faible. À des températures élevées, les connexions brasées ou serties standard peuvent s'affaiblir ou se briser. Vous avez besoin de connecteurs soudés ou de terminaisons-haute température spécialement conçues à cet effet.

L'avantage du 28 mm par temps chaud
Dans des situations de-température élevée, une cartouche chauffante de 28 mm est préférable car elle a un plus grand diamètre. Le fil de résistance peut être enroulé à une densité de watts inférieure pour la même puissance totale car il dispose de plus d'espace à l'intérieur. Même lorsque la gaine est chauffée, une densité de watts plus faible équivaut à des températures plus basses à l’intérieur du fil.

Une cartouche chauffante à tête unique de 28 mm avec une température de gaine de 600 degrés et une densité en watts de 5 W/cm² peut avoir une température de fil intérieur de 750 degrés. Un radiateur de 12 mm avec la même puissance peut augmenter la température des fils intérieurs à plus de 900 degrés, ce qui est tout simplement trop élevé pour qu'un alliage résistant puisse le gérer.

Cette disparité explique pourquoi les radiateurs plus gros fonctionnent souvent dans des situations de température élevée, tandis que les plus petits ne le font pas.

Choisir des matériaux de gaine pour les températures élevées
Choisir le bon matériau de gaine est très important pour une cartouche chauffante qui fonctionne à 500 degrés.

Incoloy 800 peut être utilisé en continu à des températures allant jusqu'à 760 degrés. Bonne résistance mécanique et résistance à l'oxydation. Le choix le plus typique pour les utilisations industrielles nécessitant de travailler à des températures élevées.

L'Incoloy 840 est comme le 800, sauf qu'il contient plus de chrome, ce qui le rend plus résistant à l'oxydation. Fonctionne bien jusqu'à 800 degrés.

Les alliages de nickel-chrome comme le 80/20 sont appelés nichrome (NiCr). Ils peuvent être utilisés comme matériaux de gaine à des températures très élevées (jusqu'à 1 000 degrés), mais ils coûtent plus cher et ne résistent pas à la corrosion aussi bien que l'Incoloy.

L'acier inoxydable 310 est une nuance austénitique qui contient plus de chrome et de nickel que le 304/316. Bon pour de courtes périodes de temps à des températures allant jusqu'à 1 000 degrés, mais il s'oxyde plus rapidement que l'Incoloy lorsqu'il est utilisé en continu à des températures élevées.

Lorsque vous travaillez avec des gaz corrosifs ou des produits chimiques à haute température, vous aurez peut-être besoin de titane ou de revêtements spéciaux. Ces solutions sont cependant beaucoup plus coûteuses.

Points à prendre en compte lors de l'installation par temps chaud
La dilatation thermique est plus visible à des températures plus élevées. Lorsqu'il est chauffé à 600 degrés, une cartouche chauffante de 28 mm déjà à température ambiante peut se dilater d'environ 0,1 % de sa longueur (environ 0,2 mm sur un radiateur de 200 mm). Si le trou de montage s'agrandit plus que le radiateur, celui-ci peut rester coincé dans un trou étroit ou, au contraire, créer un espace.

Pour les applications à haute -température, un jeu diamétral situé à l'extrémité supérieure de la plage suggérée (0,04 à 0,05 mm) est préférable, car il permet une expansion différentielle. Le trou de montage doit être droit et lisse afin que le radiateur puisse se dilater sans se plier.

Il faut également penser aux températures à proximité de la sortie principale. Même si l'extrémité du fil n'est pas chauffée, la chaleur peut toujours se déplacer le long de la gaine jusqu'aux extrémités. Si la température du fil de sortie dépasse 200 degrés, les fils de connexion normaux et les joints se briseront. Vous pourriez avoir besoin de longues longueurs non chauffées, de blocs de refroidissement ou de matériaux en plomb-à haute température comme des câbles en fibre céramique ou à gaine métallique-.

Les raisons les plus courantes pour lesquelles les choses tournent mal à haute température
Lorsqu'une cartouche chauffante cesse de fonctionner à une température-élevée, cela est généralement dû à l'une des raisons suivantes :

Oxydation de la gaine : Le tartre rend la paroi de la gaine plus fine, ce qui conduit finalement à une brèche permettant au monde extérieur de voir les parties intérieures.

Chute de résistance d'isolation : le MgO devient suffisamment conducteur à haute température pour déclencher la protection contre les défauts à la terre, même lorsque le chauffage fonctionne encore.

Oxydation du fil de résistance : le fil perd lentement sa section-, ce qui augmente la résistance et génère des points chauds qui accélèrent la défaillance.

Défaillance du joint de plomb : Le joint entre la gaine et les fils conducteurs se brise, laissant entrer l'humidité ou la saleté dans le radiateur lorsqu'il refroidit.

Conseils utiles pour réussir à des températures élevées
Lorsque vous choisissez une cartouche chauffante pour une utilisation à haute-température, gardez ces éléments à l'esprit. La taille de 28 mm est souvent la meilleure car c'est la plus grande qui puisse être utilisée. Choisissez des matériaux de gaine et de fil capables de supporter la température dont vous avez besoin ainsi qu’une marge de sécurité pour une utilisation prolongée. Pour une utilisation à long-terme à des températures élevées, maintenez la densité en watts aussi basse que possible, idéalement en dessous de 5 W/cm². À l'extrémité du câble, assurez-vous qu'il y a suffisamment de longueur non chauffée pour protéger les terminaisons. Si nécessaire, pensez à utiliser un refroidissement actif (air ou eau) pour les sorties en plomb.

Dernières pensées
Lorsqu’elle est utilisée à des températures élevées, chaque élément d’une cartouche chauffante à tête unique est poussé à ses limites. Pour réussir, vous devez choisir vos matériaux avec soin, maintenir une faible densité en watts et faire attention à la dilatation thermique et aux températures de sortie du plomb. La cartouche chauffante à tête unique de grand diamètre de 28 mm est préférable pour ces conditions difficiles car elle a une surface plus élevée et un volume interne plus grand que les tailles inférieures.

Différents processus thermiques nécessitent différentes quantités de chaleur. Une cartouche chauffante qui fonctionne dans une application de moulage sous pression à 550 degrés pourrait ne pas fonctionner aussi bien dans un processus de formage de verre à 700 degrés. Pour que le radiateur fonctionne de manière fiable, il doit être réglé à la bonne température pour le travail.