چگونه نوار گرمایش الکتریکی کار می کند: راهنمای کامل

نوار گرمایش الکتریکی با عبور جریان الکتریکی از یک عنصر گرمایش مقاومتی ساخته شده در یک کابل انعطاف پذیر کار می کند و انرژی الکتریکی را مستقیماً به گرما از طریق فرآیندی به نام تبدیل می کند. گرمایش مقاومتی (همچنین به عنوان گرمایش ژول شناخته می شود). گرمای تولید شده از طریق عایق نوار به سمت خارج و به هر سطحی که در اطراف آن پیچیده می شود، معمولاً یک لوله، مخزن یا لبه سقف، حرکت می کند و آن سطح را حتی در شرایط انجماد بالاتر از دمای هدف نگه می دارد.

نوار گرمایش الکتریکی که گاهی به آن نوار حرارتی یا کابل ردیابی حرارت نیز می‌گویند، در خانه‌ها و تأسیسات صنعتی برای جلوگیری از یخ زدگی لوله‌ها، برای حفظ جریان سیالات فرآیند در دمای پایدار و ذوب یخ روی سقف‌ها و ناودان‌ها استفاده می‌شود. این راهنما فیزیک مربوط به نحوه تولید گرما، انواع مختلف موجود، نحوه تنظیم نوار خودتنظیم خروجی خود و استانداردهای ایمنی حاکم بر استفاده از آن را توضیح می دهد.

علم پشت نوار گرمایش الکتریکی

نوار گرمایش الکتریکی با توجه به تولید گرما قانون ژول ، به صورت P = I²R بیان می شود، که در آن توان الکتریکی (P) به گرما در نسبت مستقیم با مجذور جریان (I) ضرب در مقاومت (R) عنصر گرمایش تبدیل می شود. همین اصل، توسترها، اجاق‌های برقی و لامپ‌های رشته‌ای را نیرو می‌دهد، که در اینجا به‌صورت فاکتور نازک و انعطاف‌پذیری که برای پیچیدن دور لوله‌ها و سطوح نامنظم طراحی شده‌اند، استفاده می‌شوند.

عناصر گرمایش مقاومتی

المنت حرارتی یک سیم آلیاژی فلزی یا یک هسته پلیمری رسانا است که در برابر جریان الکتریسیته مقاومت می کند و این مقاومت همان چیزی است که با عبور جریان از آن گرما تولید می کند. مواد عنصر متداول عبارتند از سیم آلیاژ نیکل کروم در نوار وات ثابت و پلیمر با کربن در نوار خود تنظیم شونده.

عایق و لایه های ژاکت بیرونی

لایه ای از عایق دی الکتریک، المنت گرمایش را احاطه کرده است تا از شوک الکتریکی جلوگیری کند و گرما را به سمت بیرون هدایت کند، نه اینکه اجازه دهد جریان به سطحی که گرم می شود نشت کند. یک ژاکت بیرونی که معمولاً از پلیمرهایی مانند فلوروپلیمر یا PVC ساخته می‌شود، از نوار در برابر رطوبت، سایش و در محیط‌های صنعتی از قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی محافظت می‌کند.

لایه	تابع	مواد مشترک
عنصر گرمایش	جریان الکتریکی را به گرما تبدیل می کند	سیم نیکل کروم یا پلیمر کربن
عایق دی الکتریک	از شوک الکتریکی جلوگیری می کند، گرما را به بیرون هدایت می کند	فلوروپلیمر، لاستیک سیلیکونی
ژاکت بیرونی	در برابر رطوبت و سایش محافظت می کند	پی وی سی، فلوروپلیمر یا پلی اولفین

جدول 1. سه لایه هسته در اکثر سازه های نوار گرمایش الکتریکی یافت می شود.

انواع نوار حرارتی برقی

دو نوع اصلی نوار گرمایش الکتریکی در بازار وجود دارد: نوار وات ثابت ، که مقدار ثابتی گرما را در هر فوت بدون توجه به دما تولید می کند و نوار خود تنظیم کننده ، که به طور خودکار بر اساس دمای محیط، خروجی حرارت خود را افزایش یا کاهش می دهد.

نوار گرمایش با وات ثابت

نوار وات ثابت مقدار یکسانی گرما را در هر پای خطی در همه زمان‌ها تولید می‌کند، معمولاً بین 3 تا 12 وات در هر فوت برای کاربردهای لوله‌های مسکونی، صرف نظر از اینکه دمای محیط 30 درجه فارنهایت یا منفی 10 درجه فارنهایت باشد. از آنجایی که خروجی هرگز کاهش نمی یابد، نوار وات ثابت معمولاً به یک ترموستات خارجی نیاز دارد تا آن را روشن و خاموش کند و از گرمای بیش از حد جلوگیری کند.

نوار گرمایش خود تنظیم

نوار خود تنظیم، خروجی گرمای خود را در تمام طول خود بدون هیچ ترموستات خارجی تنظیم می‌کند، در بخش‌های سرد قدرت را افزایش می‌دهد و در بخش‌های گرمتر همان کار مداوم، توان را کاهش می‌دهد. این رفتار خودتنظیمی از یک هسته پلیمری بارگذاری شده با کربن ناشی می شود که در بخش بعدی با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است.

ویژگی	نوار وات ثابت	نوار خود تنظیم کننده
خروجی حرارت	بدون در نظر گرفتن دما ثابت شده است	متغیر، با دمای محیط تنظیم می شود
خطر گرمای بیش از حد	بالاتر بدون ترموستات خارجی	پایین تر، خروجی به طور خودکار با افزایش دما کاهش می یابد
می توان همپوشانی کرد	خیر، همپوشانی باعث گرم شدن بیش از حد و خطر آتش سوزی می شود	بله، در بیشتر موارد، با کاهش خروجی در همپوشانی
هزینه معمولی	هزینه اولیه کمتر	هزینه اولیه بالاتر، مصرف انرژی کمتر در طول زمان
بهترین مناسب برای	عملکرد کوتاه و یکنواخت با ترموستات جداگانه	طولانی مدت، شرایط محیطی متفاوت، لوله کشی صنعتی

جدول 2. مقایسه کنار هم وات ثابت و نوار گرمایش الکتریکی خودتنظیمی.

چگونه نوار گرمایش خود تنظیم کننده خروجی خود را تنظیم می کند

نوار گرمایش خودتنظیمی خروجی خود را تنظیم می کند زیرا هسته رسانای آن از پلیمر آغشته به کربن ساخته شده است که با گرم شدن و سرد شدن از نظر فیزیکی منبسط شده و منقبض می شود و تعداد مسیرهای کربن رسانای موجود برای عبور جریان را تغییر می دهد. با گرم شدن و انبساط پلیمر، ذرات کربن کمتری در تماس با یکدیگر باقی می‌مانند و مقاومت الکتریکی را افزایش می‌دهند و جریانی را که جریان می‌یابد کاهش می‌دهد که به نوبه خود باعث کاهش گرمای خروجی در آن بخش خاص می‌شود.

این اثر به طور مستقل در طول هر اینچ از نوار رخ می دهد و مانند هزاران ناحیه گرمایش موازی کوچک به جای یک مدار پیوسته عمل می کند. قسمتی از نوار که در مقابل یک بخش سرد و بدون عایق لوله قرار می گیرد، جریان بیشتری می کشد و گرمای بیشتری نسبت به قسمتی که روی قسمت عایق و گرمتر همان لوله قرار می گیرد، بدون هیچ ترموستات یا کنترل خارجی تولید می کند.

گام به گام: چگونه نوار حرارتی دمای لوله را حفظ می کند

1. برق تامین می شود بسته به وات و طول نصب، از طریق یک پریز برق استاندارد یا یک مدار سیمی سیم کشی به نوار چسب بزنید.
2. جریان از عنصر مقاومتی عبور می کند ، تولید گرما در تمام طول نوار طبق قانون ژول.
3. گرما از طریق لایه عایق هدایت می شود و در تماس مستقیم با لوله یا سطح نوار به اطراف پیچیده می شود.
4. یک ترموستات یا سنسور دما را کنترل می کند بسته به اینکه نوار ثابت باشد یا خود تنظیم شود یا در خود نوار تعبیه شده باشد یا جداگانه نصب شود.
5. عایق لوله گرمای تولید شده را به دام می اندازد نزدیک به سطح لوله، به نوار اجازه می دهد تا به جای از دست دادن گرما در هوای آزاد، دما را به طور موثر حفظ کند.
6. چرخه به طور مداوم تکرار می شود تا زمانی که برق تامین می شود و شرایط محیطی زیر حد تعیین شده یا خود تنظیم شده باقی می ماند.

جایی که از نوار گرمایش الکتریکی استفاده می شود

نوار گرمایش الکتریکی معمولاً برای جلوگیری از یخ زدن لوله های آب در فضاهای خزنده مسکونی، اتاق زیر شیروانی و دیوارهای بیرونی در طول ماه های زمستان استفاده می شود. فراتر از استفاده مسکونی، همین فناوری زیربنایی از چندین برنامه دیگر پشتیبانی می کند:

• لوله کشی فرآیندهای صنعتی ، جایی که ردیابی گرما باعث می شود سیالات چسبناک، مواد شیمیایی یا مایعات درجه غذایی در دمای پردازش پایدار جریان داشته باشند.
• یخ زدایی سقف و ناودان ، که در آن نوار در امتداد لبه های سقف و داخل ناودان ها اجرا می شود تا برف ها ذوب شود و از تشکیل سد یخ جلوگیری شود.
• گرمایش مخزن و کشتی ، که در آن نوار بسته بندی دمای مایعات ذخیره شده در مخازن ذخیره را حفظ می کند.
• محافظت از شیر آب و شیلنگ در فضای باز جلوگیری از بخش های کوچک لوله کشی که در معرض یخ زدگی در آب و هوای سرد هستند.

ویژگی های ایمنی و استانداردهای نظارتی

نصب نوار گرمایش الکتریکی در ایالات متحده باید دنبال شود قانون ملی برق (NEC) ماده 427 که بر تجهیزات گرمایش الکتریکی ثابت برای خطوط لوله و کشتی‌ها، از جمله الزامات حفاظت از خطای زمین و کنترل‌های دمای بیش از حد، نظارت می‌کند.

ترموستات های داخلی

بسیاری از نوارهای گرمایش منازل دارای یک ترموستات داخلی هستند که وقتی دما نزدیک به انجماد می‌شود، نوار را به‌طور خودکار روشن می‌کند و زمانی که دما از آستانه ایمن بالاتر می‌رود، هم مصرف انرژی و هم خطر آتش‌سوزی ناشی از عملکرد مداوم بدون نظارت را کاهش می‌دهد.

حفاظت از خطای زمین

حفاظت از قطع کننده مدار خطای زمین (GFCI) در اکثر مدارهای نوار گرمایش مورد نیاز است زیرا نوار اغلب در محیط های مرطوب یا مرطوب مانند فضاهای خزنده و دیوارهای بیرونی نصب می شود که در غیر این صورت خرابی عایق می تواند خطر شوک ایجاد کند.

اشتباهات رایجی که هنگام استفاده از نوار گرمایش الکتریکی باید از آنها اجتناب کنید

• همپوشانی نوار وات ثابت بر روی خود، که حرارت خروجی را در یک نقطه متمرکز می کند و خطر آتش سوزی جدی ایجاد می کند.
• نصب نوار بدون عایق لوله در بالا، که اجازه می دهد تا گرمای تولید شده به جای گرم کردن لوله، به هوای آزاد خارج شود.
• استفاده از نوار درجه بندی داخلی در فضای باز یا در مکان های مرطوب که فاقد مقاومت رطوبتی مورد نیاز برای آن محیط است.
• وصل کردن نوار به پریز غیر GFCI ، اگر عایق نوار به مرور زمان کاهش یابد، خطر برق گرفتگی افزایش می یابد.
• گذاشتن نوار آسیب دیده در سرویس ، از آنجایی که ترک یا بریدگی در ژاکت بیرونی عنصر گرمایش و عایق را در معرض نفوذ رطوبت قرار می دهد.

سوالات متداول

آیا گذاشتن نوار گرمایش برقی در تمام فصل زمستان بی خطر است؟

نوار خودتنظیم با ترموستات داخلی معمولاً برای کار مداوم در زمستان بی خطر است، زیرا با افزایش دما به طور خودکار خروجی را کاهش می دهد، در حالی که نوار وات ثابت باید با یک ترموستات جداگانه جفت شود تا از کارکردن بی مورد با تمام توان جلوگیری شود.

آیا نوار گرمایش برقی برق زیادی مصرف می کند؟

یک نوار گرمایش خانگی معمولی بین 3 تا 12 وات در هر پا می کشد، به این معنی که یک 20 فوت با سرعت 7 وات در هر پا حدود 140 وات مصرف می کند، که قابل مقایسه با دو لامپ رشته ای به طور مداوم است.

آیا می توان از نوار گرمایش برقی روی لوله های پلاستیکی استفاده کرد؟

نوار گرمایش الکتریکی را می توان در اکثر لوله های پلاستیکی از جمله PVC و PEX استفاده کرد، تا زمانی که حداکثر دمای نامی نوار از تحمل حرارت سازنده لوله تجاوز نکند، زیرا گرمای بیش از حد می تواند لوله های پلاستیکی را در طول زمان نرم یا تغییر شکل دهد.

چگونه بفهمم که نوار گرمایش خراب شده است؟

نوار حرارتی ناموفق معمولاً هنگام لمس کردن در هوای سرد، گرما را در طول خود نشان نمی‌دهد، خروجی GFCI قطع شده که بازنشانی نمی‌شود، یا ترک‌خوردگی و تغییر رنگ قابل مشاهده در ژاکت بیرونی، که هر کدام نشان می‌دهند که نوار باید به جای تعمیر، تعویض شود.

آیا می توان نوار گرمایش را به طول دلخواه برش داد؟

نوار خود تنظیم معمولاً می تواند به طول سفارشی در مزرعه بریده شود، زیرا هر بخش به طور مستقل عمل می کند، در حالی که نوار وات ثابت معمولاً بدون پایان تخصصی انتهایی قابل برش نیست، زیرا عنصر گرمایش آن یک مدار مقاومتی پیوسته را در طول یک طول ثابت تشکیل می دهد.