’我们都在那里。泡罐上的盖子非常紧，但当您在罐上打热水时，您可以轻易地拧开盖子。 金属盖比玻璃罐扩展得更多，这只是材料在加热时以不同速度膨胀的一个简单说明。材料在温度变化过程中的膨胀或收缩关系受这些材料的热膨胀或 CTE 系数驱动，是设计加热器时的关键因素。
确定加热器的适当材料并不像在金属盖上打温水那么简单。热膨胀系数是将不同材料配对到系统中的关键因素。在 Watlow 代表的帮助下，您可以确保您的系统是为成功、高效和长寿命而设计的。
热膨胀系数是多少？
要了解热膨胀系数 (CTE) 背后的科学，首先必须了解热膨胀的基础知识。在热膨胀过程中发生物理特性变化，如形状、面积、体积和密度。 每种材料或金属/金属合金的膨胀率略有不同。那么,CTE 是温度变化驱动的材料的相对膨胀或收缩。
金属、陶瓷和其他材料具有独特的热膨胀系数，并且不以相等的速率膨胀和收缩。例如，如果铝段和陶瓷段的体积相等，并且从 X 到 Y 度加热，则与陶瓷相比，铝的尺寸可以增加四倍。 虽然这看起来不像是很大的差别，但这种变化可能导致热系统内的灾难性故障。
金属护套加热器（如筒式或管状加热器）采用各种金属合金精心设计，适合各种应用。这些材料的 CTE 应始终在项目设计阶段考虑。
热膨胀计算系数
热膨胀系数采用以下公式确定：
ΔL = αL(ΔT)
在此方程式中，ΔL 是目标方向上的长度变化;L 等于目标方向上材料的起始长度；ΔT 是从头到尾的温度差。 α 是 CTE,可从各种材料数据库确定。
需要注意的是：方程的所有单位必须一致，单位为摄氏度或华氏，因为每个测量系统有两组不同的系数。
当材料加热时会发生什么？
当金属或陶瓷被加热或冷却时，物质根据材料及其加热的温度而膨胀或收缩。如果材料受到限制，这种应力可能具有破坏性，因为热膨胀可以产生巨大的力。
考虑铁路轨道。现代铁路轨道采用热轧铁制成。随着轨道的安装，铁路工人在每个铁路之间留出空间。该空间使赛道在暴露于炎热的夏季太阳时得以扩展。如果没有充足的间距，铁路就可能收缩，有可能导致脱轨。
道路桥具有类似的桥接头功能。桥温度变化比道路温度快。桥接头允许桥的各部分以各自的速率展开和收缩。如果没有桥接头，桥可能会遭受损坏，或因膨胀或收缩而遭到破坏。
当设计需要加热器的热系统时，为材料在系统内的移动提供适应至关重要。如上文示例所示，未能考虑热膨胀系数会对系统产生破坏性影响。虽然您的系统故障可能不会像火车脱轨那样成为当地报纸的头条新闻，但停机时间代价高昂，让您的企业难以解决问题。
使用具有不同 CTE 的材料的危险
在同一应用中使用具有不同 CTE 的材料可能会有问题。例如，如果热膨胀产生足够的力，则加热器系统的损坏会产生足够的力，导致灾难性系统故障，并可能对工人造成伤害。
未能匹配 CTE 会导致加热系统损坏本身。当具有不同 CTE 的材料在相同的加热应用中一起使用时，它们可能会遇到诸如磨蚀、磨削、弯曲、开裂或翘曲等故障。当两种材料相互摩擦，导致材料表面质量下降时，就会发生摩擦。当某些材料摩擦在一起并形成粘合时，就会发生镀锌，如冷焊接，造成永久性损坏。
许多 Watlow’的客户拥有非常复杂的热系统。加热器损坏可能导致系统效率低下或停机。在企业中，时间就是金钱，即使几个小时的系统丢失，也可能需要数十万美元。
Watlow 能够帮助设计工程师克服这些挑战的众多方法之一，就是设计和考虑热过程所涉及的各种材料的 CTE。
选择金属时的其他考虑因素
虽然 CTE 是需要考虑的重要设计因素，但还有其他许多考虑因素。通过与 Watlow 专家合作，我们将了解系统的独特变量。我们提供有关热系统和材料各个方面的见解和选择，包括：
斜坡速度：温度随时间变化的速率、斜坡速度涉及材料加热的速度。如果加热器使系统的一个部分比另一个部分更热（即“热不均匀”),即使材料具有兼容的 CTE,也会产生问题。如果热能不能均匀地扩散到系统的所有组件，则膨胀速度可能会不均衡。
金属的特性：了解金属的其他特性也至关重要。例如，铝具有最高的导热率之一。然而，铝在比其他金属低得多的温度下熔化。需要加热至 1500º F 的系统会在系统中留下铝的栓。另一个例子是钛，其热导率较低。钛可能不像其他材料那样膨胀，但它几乎像绝缘材料，而不是热导体。
成本与系统寿命对比：在设计系统时，成本可能是一个考虑因素。有些材料比其他材料更昂贵。然而，较昂贵的物质的使用寿命可能比较便宜的材料长 10 倍，因此了解质量和使用寿命非常重要。
正确的材料和最佳信息
Watlow 代表准备评估您的系统，并就最适合您的应用的材料类型、大小和形状提供宝贵的专业知识和建议。我们的团队将帮助您避免热膨胀或收缩可能导致的任何问题。让我们知识渊博的专家确保您的加热系统经过精心设计，能够在未来几年为您提供服务。
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