Densité de watts et conception thermique pour les applications inférieures-à zéro
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L’une des erreurs les plus courantes commises lors du choix des cartouches chauffantes est de ne pas prêter attention à la densité en watts, qui correspond à la quantité d’électricité produite par chaque pied carré de surface. Ce paramètre est beaucoup plus important dans les endroits où la température est inférieure à -40 degrés, car le radiateur doit faire face à de nombreuses pertes de chaleur tout en évitant les dommages qui pourraient survenir lorsque les surfaces sont trop chaudes.
Les cartouches chauffantes standard peuvent atteindre des densités en watts allant jusqu'à 63 W/cm² (400 W/in²), ce qui les rend idéales pour chauffer rapidement les moules d'injection plastique et les équipements d'emballage. Ces conceptions à haute-densité fonctionnent parce que le radiateur est entouré d'une masse chauffée qui éloigne rapidement la chaleur du radiateur. Mais les calculs changent quand il fait froid dehors. Le même appareil de chauffage doit faire face à la masse thermique de la pièce chauffée ainsi qu'à la perte constante de chaleur dans l'air à -40 degrés ou par conduction à travers des connexions structurelles.
Lorsque les ingénieurs thermiques expérimentés commencent leurs calculs, ils utilisent le besoin thermique de base : Q=m × c × ΔT / t, où Q représente les watts, m la masse, c la chaleur spécifique, ΔT le changement de température et t le temps. Ensuite, ils ajoutent la partie perte de chaleur, qui est le coefficient de transfert de chaleur multiplié par la surface multiplié par le changement de température par rapport à la température ambiante. Par temps de -40 degrés avec du vent, les pertes par convection peuvent être supérieures à la quantité de chauffage conducteur nécessaire, doublant parfois même la puissance totale nécessaire.
En pratique, cela signifie que les cartouches chauffantes pour temps froid ont généralement des densités de watts inférieures à celles pour températures chaudes, généralement 10 à 25 W/cm² au lieu de 40 à 63 W/cm². Cette méthode prudente présente de nombreux avantages. Des températures de surface plus basses ralentissent le processus d'oxydation du fil de résistance, ce qui peut permettre au radiateur de durer des années au lieu de seulement des mois. Une répartition plus homogène de la chaleur arrête les zones chaudes qui détruisent l'isolation en oxyde de magnésium. Et la plus petite différence de température entre le radiateur et l’air ambiant réduit la contrainte thermique sur la partie chauffée.
Ces faits thermiques doivent être pris en compte lors de l’élaboration de plans de gestion de la température. Lorsque le radiateur passe de la pleine puissance à l'arrêt, la température peut varier jusqu'à ± 10 degrés ou plus. Lorsque la température est de -40 degrés, les périodes d'arrêt permettent aux choses de refroidir rapidement, ce qui exerce une pression sur les matériaux et gaspille de l'énergie en les réchauffant. L'utilisation de relais statiques ou de contrôleurs de puissance SCR pour le contrôle proportionnel maintient les niveaux de puissance stables et correspond avec précision aux pertes de chaleur. Cela maintient les températures à ± 2 degrés du point de consigne et réduit la consommation d'énergie de 20 à 30 % par rapport au contrôle bang-bang.
Dans ces cas-là, placer les thermocouples aux bons endroits est tout un art. Placer le capteur à l'extrémité du réchauffeur donne la réponse la plus rapide, mais il surveille la température du réchauffeur au lieu de la température du processus. Le placer dans la masse chaude produit des données de processus plus précises, mais cela ajoute également un décalage, ce qui peut entraîner un dépassement. La réponse est souvent d'utiliser deux capteurs : un au niveau du radiateur pour assurer la sécurité et un en cours de processus pour contrôler les choses. L’algorithme de contrôle doit trouver le bon équilibre entre réaction rapide et stabilité.
Dans les installations à basse-température, les zones froides nécessitent une attention particulière. Lorsque les boîtes à bornes sont exposées à -40 degrés, la partie non chauffée à l'extrémité du câble, qui mesure généralement 5 à 10 mm dans les radiateurs normaux, peut devoir être étendue à 25 à 50 mm. Cela empêche le point de connexion de descendre en dessous du point de rosée, lorsque la condensation s'accumule et crée des problèmes électriques. Certaines conceptions utilisent des coudes à angle droit ou des extensions de gaine pour acheminer les câbles à travers des murs isolés tout en gardant la zone de chauffage active au bon endroit.
La gestion de la dilatation thermique a un effet à la fois sur les spécifications du chauffage et sur la conception de l'installation. Lorsqu'il est chauffé de -40 degrés à 300 degrés, une cartouche chauffante de 200 mm de long grossit d'environ 2,5 mm. Ce développement exerce une force de compression sur le radiateur ou la partie chauffée, ce qui peut provoquer une flexion du radiateur ou un changement de forme de la partie chauffée. Un radiateur bien conçu-a des trous traversants ou un jeu d'expansion à l'extrémité fermée, et il est maintenu en place à l'extrémité terminale pour l'empêcher de sortir tout en lui permettant de s'étendre en longueur.
