Che cos'è un elemento riscaldante, in cosa differiscono gli elementi riscaldanti a combustione a secco e ad immersione?

Gli elementi riscaldanti sono i componenti principali che convertono l'energia elettrica in energia termica in una vasta gamma di applicazioni industriali, commerciali e domestiche. Dalla bobina all'interno di un bollitore elettrico agli elementi tubolari nei forni industriali, negli scaldabagni e nelle apparecchiature di processo, ogni sistema riscaldato elettricamente dipende dalle prestazioni, dalla selezione dei materiali e dalle specifiche corrette del suo elemento riscaldante per garantire un funzionamento efficiente, affidabile e sicuro. Comprendere cosa distingue un tipo di elemento riscaldante da un altro e cosa separa un elemento correttamente specificato da uno che si guasta prematuramente è il fondamento di una progettazione, manutenzione e approvvigionamento efficace delle apparecchiature.

La risposta diretta alla domanda sulla selezione del nucleo è questa: gli elementi riscaldanti elettrici a combustione secca e gli elementi riscaldanti ad immersione sono entrambi elementi resistivi con guaina tubolare nella maggior parte delle loro forme comuni, ma sono progettati per condizioni operative fondamentalmente diverse. Un elemento di combustione a secco funziona in aria o in un altro mezzo gassoso e deve gestire la propria dissipazione del calore attraverso l'irraggiamento e la convezione nell'atmosfera circostante. Un elemento riscaldante a immersione funziona immerso in un mezzo liquido, principalmente acqua, e si affida alla capacità di trasferimento del calore molto più elevata della convezione del liquido per gestire la temperatura superficiale dell'elemento. L'utilizzo di uno dei due tipi al di fuori del supporto previsto o la specifica di una densità di watt errata per la condizione operativa è la causa principale di guasto prematuro dell'elemento in entrambe le categorie. Questo articolo tratta in modo approfondito entrambi i tipi di elementi, spiega i principi di costruzione che ne governano le prestazioni e fornisce il quadro delle specifiche per la corretta selezione.

Cos'è un elemento riscaldante e come converte l'elettricità in calore

A elemento riscaldante è un conduttore elettrico a resistività controllata che genera calore quando la corrente lo attraversa, convertendo l'energia elettrica in energia termica secondo la prima legge di Joule: il calore generato è proporzionale al quadrato della corrente moltiplicato per la resistenza e il tempo di applicazione. Questa relazione fisica fondamentale significa che la potenza di un elemento riscaldante in watt è completamente determinata dalla sua resistenza elettrica e dalla tensione applicata ai suoi capi, rendendo la resistenza dell'elemento la variabile ingegneristica chiave che il progettista controlla per ottenere una potenza di uscita specifica a una determinata tensione di alimentazione.

Filo di resistenza: il nucleo attivo di ogni elemento riscaldante elettrico

Il componente attivo generatore di calore di praticamente tutti gli elementi riscaldanti industriali e domestici è un filo o una striscia di resistenza avvolta in una bobina o sagomata in una forma specifica e quindi racchiusa all'interno di una guaina protettiva. Le leghe per resistenze più utilizzate sono:

• Nicromo (lega di nichel-cromo): La lega di resistenza dominante per applicazioni generiche di elementi riscaldanti, contenente l'80% di nichel e il 20% di cromo nella sua forma più comune. Il nichelcromo ha una resistività di circa 110 microohm centimetri, un'eccellente resistenza all'ossidazione a temperature fino a 1.200 gradi Celsius, una buona stabilità meccanica a temperature elevate e una lunga storia di servizio sia nelle applicazioni di combustione a secco che in quelle di immersione. È il materiale standard per gli elementi che operano a temperature inferiori a 1.000 gradi Celsius in atmosfere ossidanti.
• Lega di ferro-cromo-alluminio (FeCrAl): Una lega ferritica contenente ferro, cromo (tipicamente dal 20 al 25%) e alluminio (dal 4 al 6%) che forma una scaglia superficiale di allumina quando riscaldata anziché una scaglia di ossido di cromo. Le leghe FeCrAl hanno temperature di servizio massime più elevate rispetto al nicromo, tipicamente da 1.300 a 1.400 gradi Celsius, e sono la scelta standard per elementi di forni ad alta temperatura, forni industriali e qualsiasi applicazione in cui la temperatura supera l'intervallo pratico del nicromo. La loro maggiore resistività rispetto al nicromo significa che sono necessarie lunghezze degli elementi più brevi per un dato valore di resistenza.
• Elementi resistivi in acciaio inox: Utilizzato principalmente in applicazioni di immersione a bassa temperatura dove il costo e la resistenza alla corrosione hanno la priorità sulla capacità di temperatura massima. Gli elementi in acciaio inossidabile sono meno efficienti come conduttori di resistenza rispetto al nichelcromo o al FeCrAl, ma garantiscono un'eccellente durata in acqua e in condizioni di servizio chimico delicato.

La costruzione con guaina tubolare che domina entrambe le categorie di elementi

La stragrande maggioranza degli elementi riscaldanti a combustione a secco e ad immersione sono prodotti nella stessa forma fisica fondamentale: l'elemento tubolare con guaina metallica ad isolamento minerale (MIMS), chiamato anche elemento MI o elemento tubolare con guaina. La struttura è costituita da una bobina di filo di resistenza centrata all'interno di un tubo metallico, con lo spazio tra il filo e il tubo riempito e compattato con polvere di ossido di magnesio (MgO). Il riempimento di MgO fornisce isolamento elettrico tra il filo di resistenza e la guaina metallica, conduzione termica dal filo alla guaina e supporto meccanico che impedisce al filo di vibrare o muoversi durante il funzionamento e il ciclo termico. La guaina metallica protegge il filo della resistenza e l'isolamento dall'ambiente operativo e il suo materiale è selezionato per soddisfare le condizioni di servizio specifiche dell'applicazione.

La densità di watt dell'elemento, espressa in watt per centimetro quadrato di superficie esterna della guaina, è la specifica più critica che determina le prestazioni dell'elemento e la durata di servizio in qualsiasi applicazione. Una maggiore densità di watt concentra più potenza su una superficie minore, aumentando la temperatura superficiale della guaina per una determinata condizione operativa, accelerando l'ossidazione e il degrado. La corretta specifica della densità di watt per il mezzo in cui funzionerà l'elemento è la decisione ingegneristica principale nella selezione dell'elemento.

Elementi riscaldanti elettrici a combustione a secco: progettazione e applicazioni

A elemento riscaldante elettrico a combustione secca è progettato per funzionare con la superficie della guaina esposta all'aria, al gas o a un materiale solido, senza contatto diretto con un mezzo liquido per il trasferimento di calore. In questa condizione operativa, il calore viene rimosso dalla superficie dell'elemento principalmente per irraggiamento e convezione naturale o forzata nell'atmosfera circostante, entrambi meccanismi di trasferimento del calore molto meno efficienti rispetto alla convezione del liquido disponibile in un'applicazione di immersione. Questo tasso di rimozione del calore inferiore significa che la temperatura superficiale dell'elemento aumenta a un livello significativamente più elevato per un dato ingresso di potenza, il che impone limiti rigorosi sulla densità di watt che può essere sostenuta in sicurezza senza superare il limite di temperatura del materiale della guaina o causare l'ossidazione prematura del filo di resistenza.

Limiti di densità in Watt per elementi a combustione secca

Gli elementi a combustione a secco che funzionano in convezione dell'aria libera sono generalmente specificati con densità di watt comprese tra 1,5 e 3,5 watt per centimetro quadrato, rispetto a 5-20 watt per centimetro quadrato per gli elementi ad immersione in acqua. Questa differenza di circa sei volte nella densità massima di watt riflette direttamente la differenza nel coefficiente di trasferimento del calore tra la convezione dell'aria e la convezione dell'acqua liquida. Quando la convezione forzata dell'aria viene applicata da un ventilatore o da un ventilatore in un forno o da un riscaldatore ad aria forzata, l'aumento della velocità dell'aria migliora il trasferimento di calore e consente densità di watt leggermente più elevate, ma il miglioramento è modesto rispetto alle condizioni di immersione in un liquido.

La conseguenza pratica di questa limitazione della densità di watt è che gli elementi che bruciano a secco per una data potenza in uscita richiedono una superficie maggiore, e quindi una lunghezza maggiore, rispetto agli elementi equivalenti ad immersione di potenza. Questo è il motivo per cui gli elementi dei forni industriali e gli elementi riscaldanti dei forni sono generalmente avvolti in più circuiti o formati in forme complesse che massimizzano la superficie all'interno dello spazio di installazione disponibile.

Materiali della guaina per condizioni di combustione a secco

La guaina di un elemento a combustione secca deve resistere a un'esposizione prolungata a temperature elevate in un'atmosfera ossidante senza formare eccessive incrostazioni di ossido che potrebbero causare ponti tra elementi o indebolimento strutturale della guaina. I materiali di guaina comuni per le applicazioni di combustione a secco sono:

• Grado di acciaio inossidabile 304 o 316: Il materiale della guaina standard per elementi che bruciano a secco negli elettrodomestici e nelle applicazioni commerciali leggere fino a una temperatura superficiale della guaina di circa 750 gradi Celsius. Il grado 316 offre una migliore resistenza all'attacco del cloruro in ambienti umidi ma non è significativamente superiore al grado 304 nel servizio con aria pura a temperature elevate.
• Grado di acciaio inossidabile 321 e 347: Gradi stabilizzati con aggiunte di titanio o niobio che resistono alla sensibilizzazione e alla corrosione intergranulare a temperature comprese tra 500 e 850 gradi Celsius, dove i gradi non stabilizzati possono subire precipitazione di carburo e ridotta resistenza alla corrosione.
• Incoloy 800 e 825: Leghe di nichel ferro cromo con resistenza all'ossidazione e resistenza allo scorrimento viscoso superiori a temperature fino a circa 1.000 gradi Celsius, utilizzate per elementi di forni e fornaci industriali dove le temperature di esercizio superano la capacità dei gradi di acciaio inossidabile.
• Carburo di silicio e disiliciuro di molibdeno: Materiali per elementi ceramici utilizzati nelle applicazioni di forni a temperature più elevate, superiori a 1.200 gradi Celsius, dove le guaine metalliche non sono più utilizzabili. Si tratta di materiali specialistici utilizzati nella cottura della ceramica, nella produzione del vetro e nei forni da laboratorio piuttosto che nelle applicazioni di riscaldamento generali.

Applicazioni comuni degli elementi brucianti a secco

Gli elementi riscaldanti elettrici a combustione a secco vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni industriali e domestiche ovunque il calore debba essere erogato a un gas, a un solido o a una superficie senza contatto con un liquido:

• Forni industriali e apparecchiature di essiccazione: Elementi tubolari in forma alettata o liscia riscaldano l'aria circolata dalle ventole del forno, polimerizzano rivestimenti, asciugano materiali e lavorano prodotti alimentari e farmaceutici a temperature controllate da 50 a 400 gradi Celsius.
• Piani cottura elettrici e piani cottura in vetroceramica: Gli elementi tubolari sotto il vetro ceramico trasferiscono il calore per irraggiamento e conduzione attraverso il vetro alle pentole sovrastanti, operando a temperature della guaina comprese tra 600 e 800 gradi Celsius durante il normale utilizzo.
• Riscaldatori e termoventilatori: Gli elementi tubolari alettati o a serpentina aperta riscaldano il flusso d'aria proveniente da una ventola, con temperature degli elementi limitate all'intervallo sicuro per la vicinanza ad arredi e occupanti, in genere inferiore a 600 gradi Celsius di temperatura della guaina.
• Griglie e forni elettrici per uso domestico: Gli elementi radianti della griglia soprastanti funzionano a temperature della guaina molto elevate (superiori a 800 gradi Celsius) per produrre un'intensità di calore radiante sufficiente per grigliare il cibo in brevi periodi di tempo.

Elementi riscaldanti ad immersione: progettazione per il servizio con liquidi

An elemento riscaldante ad immersione è progettato per funzionare completamente immerso in un mezzo liquido, più comunemente acqua in applicazioni di riscaldamento dell'acqua domestico e commerciale, ma anche oli, soluzioni chimiche, liquidi per la lavorazione alimentare e fluidi di processo industriale in applicazioni specialistiche. La caratteristica distintiva del servizio di immersione è l'altissimo coefficiente di trasferimento termico della convezione del liquido sulla superficie dell'elemento, che consente di rimuovere il calore dalla superficie della guaina in modo così efficiente che le temperature superficiali dell'elemento rimangono vicine alla temperatura del liquido anche a densità di watt che causerebbero un rapido guasto in un'applicazione di combustione a secco.

Perché gli elementi ad immersione possono sostenere densità di watt molto più elevate

L'acqua a pressione atmosferica ha un coefficiente di trasferimento del calore nella convezione naturale compreso tra circa 200 e 1.000 watt per metro quadrato per grado Celsius, rispetto ai valori di convezione dell'aria compresi tra 5 e 25 watt per metro quadrato per grado Celsius. Questa differenza di circa due ordini di grandezza significa che, per lo stesso eccesso di temperatura superficiale della guaina rispetto al mezzo circostante, l’acqua rimuove circa 50-100 volte più calore per unità di superficie rispetto all’aria. Questo è il motivo per cui gli elementi ad immersione possono essere utilizzati a densità di watt da 5 a 10 volte superiori rispetto agli elementi a combustione a secco senza superare le temperature di sicurezza della guaina, consentendo design degli elementi molto più compatti per potenze di uscita equivalenti.

Un elemento standard per scaldabagno elettrico domestico funziona a circa 8-12 watt per centimetro quadrato nel servizio idrico, un livello di densità di watt che farebbe sì che la guaina dell'elemento raggiunga oltre 1.000 gradi Celsius se utilizzata in aria senza copertura d'acqua, con conseguente guasto quasi istantaneo dell'elemento. Questo chiaro esempio della dipendenza dalle condizioni operative spiega perché la causa più comune di guasto dell'elemento ad immersione negli scaldacqua domestici è il funzionamento senza un'adeguata copertura d'acqua, a causa del basso livello dell'acqua nel serbatoio o della formazione di sacche d'aria attorno all'elemento durante il riempimento.

Materiali della guaina per applicazioni ad immersione

Il materiale della guaina di un elemento di immersione deve resistere alla corrosione del mezzo liquido per tutta la vita utile dell'elemento, poiché qualsiasi corrosione della guaina finirà per violare l'isolamento elettrico e causare guasti all'elemento o introdurre prodotti di corrosione nel liquido riscaldato che potrebbero essere dannosi o indesiderabili:

• Guaine in rame: Ampiamente utilizzato negli elementi ad immersione dei cilindri dell'acqua calda sanitaria per servizi con acqua da dolce a moderatamente dura. Il rame ha un'eccellente conduttività termica (dieci volte migliore dell'acciaio inossidabile), una buona resistenza alla lieve corrosione dell'acqua e un costo relativamente basso. Non è adatto per acqua con durezza superiore a circa 300 milligrammi per litro di carbonato di calcio equivalente, dove il tasso di accumulo di calcare è eccessivo, o per sistemi con tubazioni metalliche miste dove esistono rischi di corrosione galvanica.
• Grado di acciaio inossidabile 316L: Il materiale della guaina standard per gli elementi di immersione in acqua dura, acqua leggermente salina e applicazioni di lavorazione alimentare in cui il rame non è adatto o il rischio di contaminazione rappresenta un problema. Il grado 316L (a basso contenuto di carbonio) fornisce una migliore resistenza alla corrosione intergranulare rispetto al grado 316 standard, prolungando la durata di servizio in condizioni di acqua aggressiva.
• Titanio: Il materiale di guaina premium per elementi di immersione in acqua di mare, soluzioni saline e servizi chimici aggressivi dove i gradi di acciaio inossidabile sono insufficienti. Il titanio è completamente immune alla corrosione per vaiolatura indotta da cloruri che attacca l'acciaio inossidabile in ambienti salini e la sua pellicola di ossido fornisce una protezione affidabile a lungo termine in un'ampia gamma di condizioni di pH e temperatura.
• Incoloy 800 e 825: Utilizzato per elementi di immersione in fluidi di processo, oli e soluzioni chimiche ad alta temperatura superiori all'intervallo di temperature dei gradi di acciaio inossidabile e in applicazioni in cui oli contenenti zolfo causerebbero corrosione per solforazione delle guaine di acciaio inossidabile.

Accumulo di calcare e suoi effetti sulle prestazioni degli elementi di immersione

Nel servizio con acqua dura, il carbonato di calcio precipita dalla soluzione sulle superfici riscaldate, formando un deposito di calcare che isola progressivamente la guaina dell'elemento e impedisce il trasferimento di calore all'acqua. Man mano che le incrostazioni si accumulano, la temperatura della guaina dell'elemento aumenta al di sopra dei normali livelli operativi per mantenere la stessa potenza erogata a fronte della maggiore resistenza termica dello strato di incrostazioni. Studi sulle prestazioni degli scaldacqua domestici hanno rilevato che un deposito di calcare di 1,6 mm di spessore su un elemento ad immersione aumenta il consumo di energia di circa il 12%, mentre un deposito di 6 mm aumenta il consumo di circa il 40%, aumentando contemporaneamente la temperatura della guaina a livelli che accelerano l'ossidazione e riducono significativamente l'aspettativa di vita dell'elemento. La disincrostazione regolare degli elementi di immersione nelle aree con acqua dura è quindi sia una misura di efficienza energetica che una pratica di manutenzione che prolunga direttamente la durata di servizio degli elementi.

Elementi riscaldanti a combustione a secco e ad immersione: un confronto diretto

La tabella seguente fornisce un confronto affiancato delle specifiche chiave e delle caratteristiche operative degli elementi riscaldanti a combustione a secco e ad immersione per supportare le decisioni di selezione tra i parametri applicativi più comuni.

Prevenzione dei guasti e specifiche corrette per una lunga durata

La maggior parte dei guasti agli elementi riscaldanti sia nelle applicazioni a combustione a secco che in quelle ad immersione sono prevenibili attraverso corrette specifiche iniziali e corrette pratiche operative. I meccanismi di guasto più comuni e la loro prevenzione sono:

Prevenzione dei guasti durante il funzionamento a secco negli elementi di immersione

Il guasto del funzionamento a secco si verifica quando un elemento di immersione funziona senza un'adeguata copertura di liquido, facendo sì che la guaina raggiunga temperature distruttive entro pochi secondi dalla caduta dell'acqua sotto l'elemento. La prevenzione richiede:

• Dispositivi di protezione termica: Ogni installazione di un elemento ad immersione dovrebbe includere un interruttore termico o un termostato impostato per scollegare l'alimentazione se la temperatura dell'elemento supera un limite predeterminato, in genere da 95 a 110 gradi Celsius per le applicazioni di riscaldamento dell'acqua. Alcuni elementi includono un fusibile termico integrato che disconnette permanentemente il circuito in caso di singolo evento di sovratemperatura, richiedendo la sostituzione dell'elemento; altri includono un termostato bimetallico ripristinabile che si ricollega una volta che la temperatura scende a un livello di sicurezza.
• Protezione dal basso livello dell'acqua: Nei sistemi automatici di riscaldamento dell'acqua, un sensore di livello indipendente o un interruttore a galleggiante che interrompe l'alimentazione all'elemento ogni volta che il livello dell'acqua scende al di sotto di una profondità minima di sicurezza sopra l'elemento fornisce una protezione affidabile contro il funzionamento a secco da condizioni di basso livello dell'acqua, indipendentemente dal sistema di protezione termica.
• Prevenzione della sacca d'aria durante il riempimento: Quando si riempie uno scaldabagno o un recipiente a immersione che è stato scaricato, assicurarsi che tutta l'aria venga eliminata attorno all'elemento prima di energizzarlo. Nelle installazioni con elementi orizzontali, inclinare leggermente il recipiente per consentire all'aria di fuoriuscire dalla zona dell'elemento oppure riempire lentamente attraverso un collegamento sul fondo per consentire all'aria di salire naturalmente prima dell'innalzamento del livello dell'acqua.

Protezione da sovratemperatura per elementi brucianti a secco

I guasti dell'elemento che brucia a secco dovuti alla sovratemperatura si verificano quando l'elemento viene utilizzato a una densità di watt superiore alla capacità di rimozione del calore dell'aria circostante, quando il flusso d'aria attraverso un forno a convezione forzata è limitato o quando l'elemento viene inavvertitamente coperto da un materiale che riduce la dissipazione del calore. La prevenzione richiede:

• Specifica conservativa della densità di watt: Specificare elementi a combustione secca all'estremità inferiore dell'intervallo di densità di watt appropriato per l'applicazione fornisce un margine di sicurezza rispetto alle condizioni operative che potrebbero discostarsi dai presupposti di progettazione, come temperature ambiente più elevate, flusso d'aria ridotto o frequenze di ciclo più elevate del previsto.
• Mantenimento dello spazio libero: Garantire il mantenimento delle distanze minime tra gli elementi adiacenti e tra gli elementi e le pareti del forno previene il riscaldamento radiante localizzato dei punti caldi tra gli elementi e garantisce un'adeguata circolazione dell'aria attorno alla superficie di ciascun elemento.
• Termostati limite alta temperatura: Termostati indipendenti di limite elevato che interrompono l'alimentazione a tutti gli elementi se la temperatura della camera del forno supera un valore massimo di sicurezza, proteggono sia gli elementi che la struttura del forno in caso di guasto del termostato di controllo o errore di processo.

Specificazione corretta degli elementi: una guida pratica alla selezione

Il quadro seguente copre le fasi chiave delle specifiche per la selezione di un elemento riscaldante per qualsiasi nuova applicazione:

1. Definire il mezzo operativo: L'elemento funziona in aria, aria forzata, acqua, olio o soluzione chimica? Questa singola determinazione determina l'intervallo di densità di watt, la selezione del materiale della guaina e il fattore di forma dell'elemento.
2. Calcola la potenza richiesta: Determinare la potenza in stato stazionario necessaria per mantenere il processo alla temperatura target, tenendo conto delle perdite di calore dal recipiente, della velocità di riscaldamento richiesta dall'avvio a freddo e di qualsiasi richiesta di calore endotermico del processo. Aggiungere un margine dal 10 al 25% a questo valore calcolato per tenere conto del degrado dell'elemento nel corso della vita utile.
3. Seleziona la densità di watt massima: Scegliere una densità di watt adeguata al mezzo operativo tra gli intervalli di riferimento stabiliti: da 1,5 a 3,5 W per cm quadrato per aria libera, da 3 a 6 W per cm quadrato per aria forzata, da 8 a 15 W per cm quadrato per acqua e da 2 a 5 W per cm quadrato per oli a seconda della viscosità e della temperatura dell'olio.
4. Calcolare la superficie dell'elemento richiesta: Dividere la potenza richiesta per la densità di watt massima scelta per ottenere la superficie minima dell'elemento richiesta, quindi determinare la combinazione di lunghezza e diametro dell'elemento che fornisce quest'area entro i limiti dello spazio di installazione.
5. Seleziona il materiale della guaina: Abbinare il materiale della guaina al mezzo operativo, alla temperatura e a qualsiasi requisito di corrosione chimica utilizzando la guida alla selezione dei materiali contenuta in questo articolo, optando per materiali di qualità superiore in caso di dubbi sulle condizioni di servizio a lungo termine.
6. Specificare i dispositivi di protezione: Definire la temperatura di interruzione termica richiesta, il setpoint del termostato di controllo ed eventuali interblocchi di livello o flusso necessari per impedire il funzionamento al di fuori delle condizioni di copertura media progettate.

L'applicazione di questo quadro di selezione elimina sistematicamente le fonti più comuni di guasto prematuro dell'elemento riscaldante, riduce la frequenza di sostituzione e garantisce che le prestazioni termiche dell'elemento corrispondano ai requisiti dell'applicazione per tutta la durata di servizio prevista. L'investimento iniziale nella specifica corretta del tipo di elemento, della densità di watt e del materiale della guaina viene invariabilmente recuperato molte volte in costi di manutenzione ridotti, migliore efficienza energetica ed evitati tempi di inattività del processo durante la vita operativa del sistema riscaldato.