We’zijn er allemaal geweest. Het deksel op de augurkpot is onmogelijk strak, maar als u heet water over de pot drijft, kunt u het deksel gemakkelijk losschroeven. Het metalen deksel zet meer uit dan de glazen pot, wat een eenvoudige illustratie is van hoe materialen bij verhitting met verschillende snelheden uitzetten. De relatie tussen hoe materialen uitzetten of samentrekken door temperatuurverandering wordt gedreven door de coëfficiënt van thermische expansie of CTE van die materialen en is een cruciale factor bij het ontwerpen van een verwarming.
Het bepalen van de juiste materialen voor de verwarming is niet zo eenvoudig als warm water over een metalen deksel. De thermische expansiecoëfficiënt is een cruciale factor bij het koppelen van ongelijksoortige materialen in een systeem. Met de hulp van Watlow-vertegenwoordigers kunt u ervoor zorgen dat uw systeem is ontworpen voor succes, efficiëntie en een lange levensduur.
Wat is de coëfficiënt van thermische expansie?
Om de wetenschap achter de thermische expansiecoëfficiënt (CTE) te begrijpen, moet men eerst de basisbeginselen van thermische expansie begrijpen. Fysieke veranderingen in eigenschappen, zoals vorm, gebied, volume en dichtheid, treden op tijdens thermische expansie. Elk materiaal of metaal/metaallegering heeft een iets andere uitzettingssnelheid. CTE is dan de relatieve expansie of krimp van materialen die worden aangedreven door een temperatuurverandering.
Metalen, keramiek en andere materialen hebben unieke coëfficiënten van thermische expansie en zetten niet uit en trekken niet in gelijke mate samen. Als bijvoorbeeld het volume van een deel aluminium en een deel keramiek gelijk zijn en van X tot Y graden worden verwarmd, kan het aluminium in afmeting met een factor vier toenemen in vergelijking met het keramiek. Hoewel dat misschien niet veel verschil lijkt, kunnen dergelijke variaties een catastrofale storing binnen een thermisch systeem veroorzaken.
Met metaal omhulde verwarmers, zoals patroon- of buisverwarmers, zijn ontworpen met een verscheidenheid aan metaallegeringen die zorgvuldig zijn gekozen voor elke toepassing. De CTE van deze materialen moet altijd in overweging worden genomen in de ontwerpfase van een project.
De coëfficiënt van de berekening van de thermische expansie
De thermische uitzettingscoëfficiënt wordt bepaald met deze formule:
ΔL = αL(ΔT)
In deze vergelijking is ΔL de verandering in lengte in de interesserichting; L is gelijk aan de startlengte van materiaal in de interesserichting; en ΔT is het temperatuurverschil van begin tot eind. α is de CTE en kan worden bepaald uit verschillende materiaaldatabases.
Let op: alle eenheden van de vergelijking moeten consistent zijn in Celsius of Fahrenheit, omdat er twee verschillende sets coëfficiënten zijn voor elk meetsysteem.
Wat gebeurt er als materialen worden verwarmd?
Wanneer metalen of keramiek worden verwarmd of gekoeld, zet de stof uit of trekt samen, afhankelijk van het materiaal en de temperatuur waarop het wordt verwarmd. Als het materiaal beperkt is, kan deze spanning destructief zijn, omdat er een enorme hoeveelheid kracht kan worden opgewekt met thermische expansie.
Overweeg spoorlijnen. Moderne spoorlijnen zijn gemaakt van warmgewalst ijzer. Terwijl het spoor wordt geïnstalleerd, laten spoorwegarbeiders ruimte tussen elke spoorlijn. Deze ruimte zorgt ervoor dat de baan uitzet terwijl deze wordt blootgesteld aan de hete zomerzon. Zonder voldoende afstand kan de spoorweg gespaard raken, wat mogelijk tot ontsporing kan leiden.
Wegbruggen hebben een vergelijkbaar kenmerk met brugverbindingen. De brugtemperaturen veranderen sneller dan de wegtemperaturen. Het bruggewricht zorgt ervoor dat de stukken van de brug kunnen uitzetten en samentrekken tegen hun respectieve tarieven. Zonder bruggewricht kan de brug beschadigd raken of vernietigd worden door uitzetting of krimp.
Bij het ontwerpen van een thermisch systeem waarbij een verwarming nodig is, is het van cruciaal belang om rekening te houden met de verplaatsing van de materialen binnen het systeem. Zoals de bovenstaande voorbeelden illustreren, kan het niet verantwoorden van de thermische expansiecoëfficiënt verwoestende effecten hebben op een systeem. Hoewel een storing in uw systeem misschien niet het laatste nieuws in de lokale krant haalt, zoals een ontsporing van de trein, is uitvaltijd duur en laat uw bedrijf worstelen om het probleem op te lossen.
De gevaren van het gebruik van materialen met verschillende CTE
Het gebruik van materialen met verschillende CTE in dezelfde toepassing kan problematisch zijn. Als er bijvoorbeeld voldoende kracht wordt gegenereerd door thermische expansie, kan schade aan het verwarmingssysteem voldoende kracht produceren om een catastrofale systeemstoring te veroorzaken en werknemers mogelijk te verwonden.
Als de CTE niet overeenkomt, kan het verwarmde systeem zichzelf beschadigen. Wanneer materialen met verschillende CTE's samen worden gebruikt in dezelfde verwarmde toepassing, kunnen ze storingen ondervinden, zoals wrijving, gallen, buigen, barsten of kromtrekken. Frettering treedt op wanneer twee materialen tegen elkaar wrijven, waardoor de kwaliteiten van het materiaaloppervlak worden aangetast. Galerij treedt op wanneer bepaalde materialen tegen elkaar wrijven en een verbinding vormen, zoals een koude las die permanente schade veroorzaakt.
Veel klanten van Watlow’hebben zeer complexe thermische systemen. Schade aan de verwarmer kan ervoor zorgen dat een systeem onderproductief is of wordt uitgeschakeld. In het bedrijfsleven is tijd geld en het verliezen van een systeem voor zelfs een paar uur kan een bedrijf honderdduizenden dollars kosten.
Het ontwerpen en verantwoorden van de CTE van verschillende materialen die betrokken zijn bij het thermische proces is een van de vele manieren waarop Watlow ontwerpingenieurs kan helpen deze uitdagingen te overwinnen.
Andere overwegingen bij het selecteren van metalen
Hoewel CTE een essentiële ontwerpfactor is om rekening mee te houden, zijn er vele andere overwegingen. Door samen te werken met een Watlow-specialist, zullen we de unieke variabelen van uw systeem doornemen. Wij bieden inzicht in en opties voor alle aspecten van het thermische systeem en de materialen, waaronder:
Aanloopsnelheid: De snelheid waarmee de temperatuur in de loop van de tijd verandert, aanloopsnelheid heeft betrekking op de snelheid waarmee het materiaal wordt verwarmd. Een verwarming die ervoor zorgt dat een deel van het systeem warmer wordt dan een ander deel (ook wel “thermische non-uniformiteit genoemd”) kan problemen veroorzaken, zelfs als het materiaal een compatibele CTE heeft. Als de thermische energie zich niet gelijkmatig over alle componenten van het systeem verspreidt, kan er ongelijkmatig uitzetten optreden.
Eigenschappen van het metaal: Het begrijpen van andere eigenschappen van het metaal is ook van cruciaal belang. Aluminium heeft bijvoorbeeld een van de hoogste warmtegeleidingssnelheden. Aluminium smelt echter bij een veel lagere temperatuur dan andere metalen. Een systeem dat verwarmd moet worden tot bijvoorbeeld 1500º F zou een plas aluminium in het systeem achterlaten. Een ander voorbeeld is titanium, dat een lage thermische geleidbaarheid heeft. Titanium zet misschien niet zo veel uit als andere materialen, maar werkt bijna als isolatie in plaats van als een thermische geleider.
Kosten versus levensduur van het systeem: Bij het ontwerpen van uw systeem kunnen kosten een overweging zijn. Sommige materialen zijn duurder dan andere. De duurdere stof kan echter 10 keer langer meegaan dan het goedkopere materiaal, dus een goed begrip van kwaliteit en levensduur is belangrijk.
De juiste materialen en de beste informatie
Vertegenwoordigers van Watlow zijn bereid om uw systeem te evalueren en waardevolle expertise en advies te bieden over het beste type, de grootte en vorm van materialen voor uw toepassing. Ons team helpt u problemen te vermijden die kunnen worden veroorzaakt door thermische expansie of krimp. Laat onze deskundige specialisten ervoor zorgen dat uw verwarmingssysteem goed is ontworpen om u de komende jaren van dienst te zijn.
Neem vandaag nog contact op met een vertegenwoordiger van Watlow® voor meer informatie over de thermische expansiecoëfficiënt en hoe deze van toepassing is op uw systeem.