ฮีตเตอร์ (Heater) เทอร์โมคัปเปิ้ล (thermocouple) RTD Pt100

ฮีตเตอร์ คืออะไร?

ฮีตเตอร์คืออุปกรณ์ที่ทำให้เกิดความร้อน หรือ เครื่องที่กำเนิดความร้อน เพื่อผลิตหรือแปรรูปสินค้าในกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรม หรือในงานเกษตรกรรม เช่น ฮีตเตอร์ ใช้เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นในกระบวนการผลิตอาหาร (บะหมี่กึ่งสำเร็จรูป)การฉีดขึ้นรูปพลาสติก การซีลซองเพื่อห่อขนม ห้องอบลดความชื้น ห้องอบสี งานบรรจุหีบห่อ งานอบเซรามิกส์ อบอาหารและยาอบเมล็ดพันธุ์พืช งานต้มน้ำต้มสารเคมี เป็นต้น

พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็น จูล (Joul)หรือ บีทียู (Btu)ความร้อนที่เกิดจากตัวฮีตเตอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมนั้นเกือบทั้งหมด จะได้มาจากพลังงานไฟฟ้า (หน่วยของพลังงานไฟฟ้ามีหน่วยเป็น Watt ซึ่งส่วนมากจะใช้หน่วยบอกพลังงานความร้อนจากฮีตเตอร์เป็นวัตต์ Watt ด้วย ซึ่งพอจะอนุโลมให้ใช้ได้เช่นกันเสมอซึ่งไม่มีอะไรผิด)

พลังงานไฟฟ้าที่จ่าย ผ่านสายไฟฟ้าเข้าตัวฮีตเตอร์ถูกแปลงเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนได้อย่างไร?

ฮีตเตอร์สร้างความร้อนออกมา จากระบบจ่ายไฟฟ้า 220โวลท์ 1เฟส (2สาย) หรือ ไฟฟ้า380โวลท์ 3เฟส (3สาย หรือ4สาย ก็ได้) โดยจ่ายไฟฟ้า (โวลท์ Volt) เข้าไปยังลวดความต้านทาน ที่เป็นลวดโลหะความต้าน(Resistant Wire) ที่มีส่วนผสมของโลหะนิคเกิล (Ni) และโครเมี่ยม(Cr) บางคนเรียกความต้านทานว่าลวดความร้อน หรือ ลวดฮีตเตอร์ เมื่อจ่ายไฟฟ้าให้ลวดฮีตเตอร์ (Heater Wire)เส้นหนึ่งที่ปลายของลวดทั้ง2ข้าง ลวดจะร้อนแดงขึ้นและให้ความร้อนออกมาจากลวดทั้งเส้นตามสูตร Watt =V^2/R

Watt คือหน่วยของพลังงานไฟฟ้า หรือ พลังงานความร้อน

V คือความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายลวดทั้งสอง เช่น 220 Volt เป็นต้น
R คือความต้านทานของลวดทั้งเส้น เช่น 80Ω(โอห์ม) เป็นต้น

แทนค่า V และ R ในสูตร Watt = ((220)X(220))/80= 650วัตต์

ทำไมลวดสายไฟฟ้าจึงทำเป็นลวดความต้านทาน (ลวดฮีตเตอร์)ไม่ได้? สายไฟฟ้าต่างกับลวดความต้านทานอย่างไร?

เพราะลวดสายไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านและโรงานอุตสาหกรรมมีความต้านทานต่ำมากเกือบเป็นศูนย์โอห์ม เมื่อต่อสายไฟฟ้า220V เข้าไปที่ปลายทั้งสองของลวดสายไฟฟ้าเส้นเดียวกันลวดสายไฟฟ้านั้นจะช๊อตจนขาด ซึ่งพอจะอธิบายสูตรคำนวณได้ดังนี้ WattV^2/R=((220)X(220))/0 = วัตต์จำนวนอนันต์ (จำนวนมหาศาล) พลังงานความร้อนที่ได้สูงมากๆเป็นจำนวนอนันต์ (มากจนไม่มีที่สิ้นสุด) จนทำให้เกิดการระเบิดโดยลวดสายไฟฟ้าขาด (ช๊อต) เพราะที่ความต้านทานของลวดสายไฟฟ้าทำจากทองแดงที่นำไฟฟ้าได้ดีมากจนความต้านทานเกือบเป็นศูนย์โอห์ม ส่วนลวดความต้านทานมีความต้านทานสูงเพราะโลหะผสมนิคเกิลกับโครเมี่ยมมีความต้านทานสูงกว่ามาก เช่นที่ความยาวเท่ากันลวดโตและยาวเท่ากันมีความต้านทาน 80โอห์มเป็นต้น จึงให้ความร้อนออกมาเพียง605วัตต์(ไม่จำนวนวัตต์มหาศาลเหมือนลวดไฟฟ้า)

ฮีตเตอร์มีส่วนประกอบที่สำคัญอะไรบ้าง?

ส่วนประกอบที่สำคัญของฮีตเตอร์

ลวดความร้อน (Heater Wire) หรือลวดความต้านทาน (Resist ant Wise)ลวดความร้อนทำจากโลหะ ผสมนิกเกิลโครเมี่ยม (Ni,Cr) หรือลวดนิโครม (Nichorme Wise) ส่วนผสมที่ดีที่สุดคือ 80:20 เช่นลวด Nikrothal 80 หรือ R80 ลวดทนแรงดึงได้สูงมีความนุ่มพอดีสามารถพันเป็นคอยด์หรือพันรอบแกนMgO เป็นรูปวงกลมได้ดีโดยลวดยังคงมีขนาดความโตของเส้นผ่าศูนย์กลางเท่าเดิมตลอดทั้งเส้นทำให้จ่าย ความร้อนออกมาได้อย่างสม่ำเสมอตลอดความยาวของลวดความร้อนทนความร้อนได้สูงถึง 1,400°C ลวดทำความร้อนโดยเพิ่มส่วนผสมของเหล็ก (Fe) ผสมกับNiกับCr มักเรียกลวดผสมโลหะนี้ว่าลวดทำ ความร้อนประเภทลวดเหล็กมีความยืดหยุ่นได้ไม่ดีเท่าลวดนิคเกิลหรือ ลวดนิโครม ทนความร้อนได้ ประมาณ 950°Cถ้ามีส่วนผสมของเหล็กมาก
ผงแมกนิเซี่ยมอ๊อกไซด์ (MgO Powder) เป็นส่วน ประกอบที่สำคัญของฮีตเตอร์เช่นกันเพราะผง MgOที่ดี นั้นต้องมีคุณสมบัติเป็นตัวต้านทานไฟฟ้าที่ดี และเมื่อผงMgOโดนบีบอัดแน่นจากเครื่องรีดลดความโต ของท่อเหล็กที่บรรจุผงMgOโดยมีลวดทำความร้อนอยู่ในผง MgOทำให้ความต้านทานสูงกว่า50MΩเลย ทีเดียว แม้ว่าขดลวดอยู่ใกล้กับท่อเหล็ก ดูค่าได้ตอนทำ (Insulation Test)การทดสอบค่าความเป็นฉนวน ไฟฟ้า (Insulation Test) ซึ่งบริษัท Supreme Lines จำกัด จะทำการทดสอบฮีตเตอร์ทุกตัวก่อนส่งไปให้ ลูกค้า
ผงMgOเป็นตัวนำความร้อนจากลวดฮีตเตอร์หรือลวดทำความร้อนให้ผ่าน MgOที่อัดกันแน่นจนแข็ง เหมือนหินไปยังท่อโลหะได้รวดเร็วทำให้อุณภูมิที่ลวดฮีตเตอร์ไม่สูงกว่าท่อเหล็กสแตนเลสของฮีตเตอร์ มากทำให้ลวดฮีตเตอร์คงทนใช้งานได้ดี และ มีอายุการใช้งานได้นานๆ ผง MgOที่ดีต้องเป็นผง MgOบริสุทธิ์ไม่มีผงฝุ่น หรือ สิ่งเจือปนอื่นๆ เช่น ผงโลหะ เศษกระดาษหรือไม้ ซึ่งเมื่อฮีตเตอร์ร้อนเต็มที่ก็จะไหม้กลายเป็นถ่านคาร์บอนซึ่งเป็นสื่อไฟฟ้าทำให้เกิดการช๊อตระหว่างลวดวง ถัดไปซึ่งจะเป็นจุดอ่อนให้ลวดฮีตเตอร์ขาดได้ เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีเศษโลหะหรือเศษฝุ่นผสมในผง MgO บริษัท Supreme Lines จำกัด จะร่อนผงMgOผ่านตะแกรงร่อนที่มีรูใหญ่กว่าขนาดผงMgOเพียง เล็กน้อยเพื่อกรองเศษโลหะหรือไม้ออกมาก่อนแล้วจึงเทใส่ท่อสแตนเลสที่หุ้มลวดฮีตเตอร์โดยตอนเทผง MgOจะมีเครื่องสั่นแตะกับท่อสแตนเลสทำให้ผง MgOแน่นเต็มพื้นที่ว่างในท่อหลังจากนั้นจะตรวจว่าจุด ศูนย์กลางของคอยด์ขดลวดของลวดฮีตเตอร์อยู่ตรงกลางของจุดศูนย์กลางของท่อสแตนเลสด้วยเครื่อง Insulation Testorแล้วจึงทำการรีดขนาดท่อสแตนเลสเพื่อบีบอัดให้ผง MgOแน่นเป็นหินทำให้ลวดฮีต เตอร์ไม่เคลื่อนที่ไปไหนได้อีก
ท่อโลหะที่ใช้ทำเป็นเปลือกภายนอกของฮีตเตอร์ทำจากโลหะหลายชนิดแล้วแต่ลักษณะการใช้ งานท่อสแตนเลสมีอยู่หลายเกรด เช่นSUS304 นิยมใช้มากที่สุด ไม่เป็นสนิมเหมาะกับงานทั่วๆ ไป เช่น ฮีตเตอรืแท่ง ฮีตเตอร์ครีบ ฯลฯมีจุดหลอมเหลวที่ 1300°C SUS316เหมาะสำหรับงานที่ต้องสัมผัสกับ อาหาร ขนม ยา เครื่องสำอาง สารละลายที่มีความเป็นกรดSUS316 มีจุดหลอมเหลวที่ 1,400°Cฯลฯ Titanium ท่อไทเทเนี่ยม เหมาะใช้กับฮีตเตอร์อุ่น ต้มสารเคมีที่เป็นกรด หรือเบสเข้มข้นมีความคงทน ต่อสารเคมีได้ดีทนความร้อนได้สูงถึง 1,900°C และมีความแข็งแรงกว่าโลหะทุกชนิด แต่ราคาแพงกว่า ท่อสแตนเลสมาก

ความร้อนถูกถ่ายเทจากฮีตเตอร์ไปสู่วัตถุเป้าหมายได้กี่วิธี ?

ความร้อนเดินทางจากฮีตเตอร์ไปยังวัตถุเป้าหมายได้3 วิธี คือ

การนำความร้อน (Thermal Concluetion) เช่น ความร้อนเดินทางจากฮีตเตอร์แท่งที่ใส่ในรูของแผ่น โลหะหนาไปยังแม่พิมพ์โลหะที่ติดอยู่บนแผ่นโลหะโดยโมเลกุล หรือ อณูของแผ่นโลหะ และ แม่พิมพ์ไม่ มีการเคลื่อนที่ เพียงแต่ความร้อนเคลื่อนผ่านโมเลกุลของโลหะที่สัมผัสกัน ความร้อนจะถูกส่งผ่านกัน ไปทีละโมเลกุลจนถึงแม่พิมพ์ ซึ่งจะส่งผ่านความร้อนไปให้พลาสติกในแม่พิมพ์ให้หลอมเหลวอยู่ในที่ ว่างในแม่พิมพ์นั้น ตัวกลางที่ใช้ในการส่งผ่านความร้อน คือ โลหะ ฮีตเตอร์ที่อาศัยวิธีการนำความร้อน คือฮีตเตอร์แท่ง ฮีตเตอร์ท่อกลม-ฮีตเตอร์แผ่น-ฮีตเตอร์รัดท่อ
การพาความร้อน (Thermal Conlection) คือการที่โมเลกุลของตัวกลางในการพาความร้อนซึ่งมักจะ เป็นอากาศได้รับความร้อนจากฮีตเตอร์แล้วร้อนขึ้น ตัวโมเลกุลที่ร้อนจะถูกพัดลมเป่าให้เคลื่อนที่ไปยัง วัตถุเป้าหมายแล้วสัมผัสกัน วัตถุเป้าหมายจะได้รับการถ่ายเทความร้อนจากลมร้อนทำให้ร้อนขึ้น เรียก วิธีส่งผ่านความร้อนนี้ว่าการถ่ายเทความร้อน ฮีตเตอร์ที่อาศัยวิธีส่งผ่านความร้อนอันนี้ เช่น ฮีตเตอร์ท่อ กลม,ฮีตเตอร์ครีบ,ฮีตเตอร์คอยด์
การแผ่รังสี (Thermal Radiation) คือการส่งผ่านความร้อนโดยไม่อาศัยตัวกลางใดๆ เลยความร้อน สามารถส่งผ่านไปยังวัตถุเป้าหมายได้ โดยผ่านสูญญากาศ เพราะพลังงานความร้อนถูกส่งมาในรูป คลื่นแสง (ที่มองเห็นได้ หรือ มองไม่เห็นก็ได้ เช่นคลื่นอินฟราเรด) เหมือนพลังานแสงอาทิตย์เคลื่อนผ่านอวกาศ (สูญญากาศ) มายังโลก พลังงานจะมากับคลื่นแสง เมื่อสัมผัสกับวัตถุเป้าหมายจะคล้ายพลัง งานแสงออกมาให้ในรูปของพลังงานความร้อน