ขดลวดความร้อน

อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนคือฮีตเตอร์ ซึ่ง ขดลวดความร้อนเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด เปรียบเสมือนหัวใจของฮีตเตอร์ การเลือกใช้และออกแบบขดลวดความร้อนจึงเป็นสิ่งสำคัญ เราจะมาพูดถึงการออกแบบและเลือกใช้ลวดความร้อนในบทความนี้

ขดลวดความร้อนคืออะไร

ขดลวดความร้อน คือ ลวดที่มีความต้านทานทางไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดความร้อน จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนขึ้นในขดลวด เมื่อแรงดันไฟฟ้าคงที่ ความต้านทานยิ่งน้อย กระแสยิ่งมาก และความร้อนยิ่งมาก (P = V² ÷ R) พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะถ่ายเทออกไปยังโหลดที่ต้องการ

ภาพที่ 1 แสดงลวดความร้อนภายในแกนฮีตเตอร์

ขดลวดความร้อน หรือบางครั้งเรียกว่า ลวดฮีตเตอร์ แบ่งออกเป็นหลายประเภท เช่น ลวดนิโครม ลวดเหล็ก ซึ่งจะถูกพันขดอยู่ในแกนซึ่งอาจทำจากเซรามิกหรือวัสดุทนไฟ โดยมีขนาดและความยาวตามความต้องการกำลังไฟฟ้าที่ออกแบบไว้ ซึ่งบทความนี้จะอธิบายหลักการออกแบบตามหลักวิศวกรรมโดยละเอียดต่อไป

ขั้นตอนการออกแบบขดลวดความร้อน

หน้าที่ของขดลวดความร้อนคือการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนซึ่งใช้ในงานหลากหลายประเภท กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดที่มีความต้านทานทำให้เกิดความร้อนขึ้น ปริมาณความร้อนขึ้นกับแรงดันและความต้านทานตามสมการ P = V² ÷ R ซึ่งขนาดและความยาวมีผลโดยตรงกับความต้านทานของลวดความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปสู่ที่ความร้อนน้อยกว่าผ่านการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งเราสามารถออกแบบการถ่ายเทได้โดยลักษณะงานที่ใช้

ในการออกแบบลวดความร้อนสำหรับทำฮีตเตอร์ เริ่มต้นจากต้องหาพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ทั้งหมด รวมถึงระบบไฟฟ้าที่ใช้งาน เช่น แรงดันไฟฟ้า 3เฟส 380โวลต์ / 1เฟส 220โวลต์ เนื่องจากใช้วิธีการต่อขดลวดที่แตกต่างกัน

ตัวอย่าง เช่น ต้องการทำความร้อนโดยใช้กำลังไฟฟ้า 15kW โดยใช้ไฟฟ้าแรงดัน 380โวลต์ ซึ่งการออกแบบอาจเป็น ฮีตเตอร์ 5kW จำนวน 3 ตัว หรือ ฮีตเตอร์ 3kW จำนวน 5 ตัว (ดูตารางสเปคมาตรฐานของฮีตเตอร์)

คำถามต่อไปคือ เราจะรู้ได้อย่างไรว่า ต้องใช้กำลังไฟฟ้าเท่าไร ? หลักการง่ายๆคือ

” ฮีตเตอร์ 10kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (จาก 25°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง”

ซึ่งเป็นการคำนวณอย่างคร่าวๆที่สามารถใช้ได้จริง โดยใช้หลักการนี้ประยุกต์ให้เข้ากับงานของแต่ละที่ได้ โดยเทียบบรรยัดไตรยางค์ เช่น

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 62.5°C (เพิ่มขึ้น 37.5°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 50 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (เพิ่มขึ้น 75°C) ในเวลา 1 ชั่วโมง

ฮีตเตอร์ 5kW ให้ความร้อนน้ำเปล่า 100 ลิตร จนมีอุณหภูมิ 100°C (เพิ่มขึ้น 75°C) ในเวลา 2 ชั่วโมง

เมื่อทราบว่า เรากำลังจะออกแบบฮีตเตอร์กำลังไฟฟ้าเท่าไร และต่อกับแรงดันไฟฟ้าเท่าไหร่แล้ว สิ่งที่ต้องทราบต่อไป คือ สิ่งที่มีผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้าของลวดฮีตเตอร์ ซึ่งได้แก่ คือ ความต้านทานของขดลวด (Resistance of heater wire) มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω) ซึ่งสิ่งที่มีผลโดยตรงกับความต้านทานของขดลวด คือ ชนิดวัสดุ ความยาวขดลวด และขนาดพื้นที่หน้าตัดของขดลวด ซึ่งจะกล่าวต่อไป

สรุปสิ่งที่ต้องทราบก่อนการออกแบบลวดฮีตเตอร์

1. กำลังไฟฟ้าที่ใช้
2. ระบบไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่ใช้
3. ชนิดของขดลวด

การเลือกชนิดลวดความร้อน

วัสดุที่นิยมใช้สำหรับทำขดลวดความร้อน ได้แก่

ลวดนิโครมคืออะไร

1. ลวดนิโครม ( Nickel-based coil,Nicr ) หรือบางทีเรียกว่า ลวดนิเกิล

ลวดนิโครมเป็นขดลวดชนิด ออสเทนนิติกอัลลอยด์ ( Austenitic Alloy) ซึ่งประกอบด้วย นิเกิลประมาณ 80% และ โครมประมาณ 20% สามารถทนอุณหภูมิได้สูงสุดถึง 1250 องศาเซลเซียส มีข้อดีคือ ต้านการเกิดออกซิเดชั่นได้ดี มีความเสถียร จุดหลอมเหลวสูง และ การยืดตัวน้อยเมื่อเกิดความร้อน

ดูรายละเอียดลวดนิโครมเพิ่มเติม ได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Nichrome

2. ลวดเหล็กโครม ( Iron-based coil,FeCrAl )

มีส่วนประกอบคือ เหล็ก โครเมี่ยม และ อลูมิเนียม เป็นขดลวดชนิด เฟอรริติกอัลลอยด์ ( Furitic Aloy) ซึ่งลวดชนิดนี้ทนอุณหภูมิได้สูงสุด 1400 องศาเซลเซียส รวมทั้งมีน้ำหนักและความหนาแน่นน้อยกว่าลวดนิโครม สามารถใช้งานแทนกันได้อย่างดีโดยเลือกได้จากจุดประสงค์การใช้งาน

3. ลวดนิเกิลเหล็ก ( NiFe-based coil )

ใช้ในงานที่ต้องการอุณหภูมิไม่สูงมากประมาณไม่เกิน 600 องศาเซลเซียส มีค่าสัมประสิทธิความต้านทานต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงสูง ซึ่งหมายถึงความต้านทานของลวดจะไม่เปลี่ยนแปลงไปมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

ลวดนิโครม และ ลวดเหล็กโครม แบบไหนดีกว่ากัน

ลวดนิโครมมีข้อดีมากกว่าลวดเหล็กโครม ดังนี้

– ความแข็งแรงต่อการคืบสูงกว่า (higher hot and creep strength )
สามารถทนต่อแรงกระทำและต้านการคืบได้สูงกว่า ( ต่อต้านความเครียดที่ขึ้นอยู่กับเวลา ) ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่นี่

– มีความเหนียวมากกว่าเมื่อผ่านการใช้งานเป็นเวลานาน
ลวดนิโครม ยังคงยืดหยุ่นเมื่อผ่านการใช้งานเป็นเวลานาน ทำให้สามารถแก้ไขเปลี่ยนแปลงรูปร่างหลังจากใช้แล้วได้

– การแผ่รังสีความร้อนมากกว่า ( Higher emissivity )
การแผ่รังสีความร้อนที่ดีกว่าทำให้ มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับโหลดที่เท่ากัน

– ต้านการผุกร่อนจากความชื้นได้ดีกว่า
ลวดนิโครมสามารถต่อต้านการผุกร่อนที่อุณหภูมิห้องได้ดีกว่า

ลวดเหล็กโครมมีข้อดีมากกว่าลวดนิโครม ดังนี้

– อุณหภูมิสูงสุดในการทำงานสูงกว่า ( Higher maximum temperature )
ซึ่งลวดเหล็กโครมสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงสุดถึง 1400 องศาเซลเซียสในอากาศ

– โหลดต่อพื้นผิวสูงกว่า (Higher surface load)
อุณหภูมิทำงานสูงสุดและโหลดต่อพื้นผิวที่สูงกว่า ทำให้อายุการใช้งานยาวนานกว่า

– ความต้านทานสูงกว่า ( Higher resistivity )
ความต้านทานของลวดขชนิดนี้มากกว่า ทำให้สามารถเลือกใช้ขนาดลวดที่ใหญ่กว่าเพื่อเพิ่มอายุการใช้งาน

– กำลังคลากสูงกว่า ( Higher yield strength )
ผลของกำลังที่สูงกว่าทำให้ พื้นที่หน้าตัดของลวดไม่เปลี่ยนแปลงมากเมื่อทำการม้วนขดลวด

– ความหนาแน่นและน้ำหนักต่ำกว่า ( Lower density )
เมื่อความหนาแน่นและน้ำหนักต่ำกว่า จึงใช้วัสดุน้อยกว่า

สรุปการเลือกชนิดลวดความร้อน

ลวดความร้อนแต่ละชนิด มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป และมีราคาที่แตกต่างกันด้วย ไม่ว่าลวดนิโครม ลวดเหล็กโครม ล้วนเหมาะสมกับงานซึ่งแตกต่างกันออกไป เมื่อเลือกชนิดขดลวดและแบรนด์ได้แล้ว สิ่งที่ต้องใช้เพื่อออกแบบในขั้นตอนต่อไป คือ รายละเอียดสเปคของลวดชนิดที่เลือกจากผู้ผลิต เพื่อใช้ออกแบบและคำนวณต่อไป

การเลือกขนาดลวดความร้อน

เมื่อเราเลือกชนิดของลวดความร้อนตามงบประมาณและลักษณะการใช้งานของเราได้แล้ว เราจะนำสเปคจากผู้ผลิตเพื่อมาคำนวณหาขนาดและความยาวที่เหมาะสมต่อไป

สมการที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณพลังงาน

P กำลังไฟฟ้า (วัตต์ , W )

I กระแสไฟฟ้า ( แอมแปร์ , A )

V ความต่างศักย์ไฟฟ้า ( โวลต์ , V )

R(t) ความต้านทานที่อุณหภูมิ t ( โอห์ม , Ω )

R(20) ความต้านที่ที่อุณหภูมิห้อง 20 องศาเซลเซียส ( โอห์ม , Ω )

fค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานเมื่อเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

S โหลดความร้อนพื้นผิว Surface load ( W/cm^2 )

A พื้นที่ผิวของลวด (cm^2)

สมการที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณรูปร่างขดสปริง

ภาพที่ 2 แสดงขดลวดความร้อนที่ถูกม้วนเป็นคอยด์

d เส้นผ่านศูนย์กลางของลวด ( มิลลิเมตร , mm )

D เเส้นผ่านศูนย์กลางคอยด์ลวด ( มิลลิเมตร , mm )

L ความยาวของลวดที่ใช้ ( มิลลิเมตร , mm )

x(c) ความยาวของขดลวดสปริงปกติ( มิลลิเมตร , mm )

x(e) ความยาวของขดลวดสปริงเมื่อยืด ( มิลลิเมตร , mm )

a จำนวนเท่าของความยาวยืดคอยด์ ( มิลลิเมตร , mm )

ตารางแสดงโหลดความร้อนบนพื้นผิว (Surface load)

ขั้นตอนการคำนวณเพื่อเลือกขนาดลวดฮีตเตอร์

กำหนดลักษณะของลวดฮีตเตอร์

ออกแบบรูปร่างและลักษณะของลวดฮีตเตอร์รวมถึงลักษณะการพันลวดเพื่อหาช่วงร้อน (heat zone)

หาความต้องการพลังงานที่ต้องใช้

กำหนดกำลังไฟฟ้าของฮีตเตอร์แต่ละตัวเพื่อกำหนดค่าพลังงาน (P) และระบบไฟฟ้า (V)

เลือกชนิดและแบรนด์ของขดลวดความร้อน

เลือกชนิดของลวดที่ใช้ ได้แก่ ลวดนิโครม ลวดเหล็ก หรือ ชนิดอื่นๆ ตามความเหมาะสมกับงานและงบประมาณ เพื่อขอสเปคชีทจากผู้ผลิต

คำนวณหาความต้านทาน (Rt) และ (R20)

นำค่า (P) และ (V) จาก ขั้นตอนที่ 2 แทนลงในสมการ (2) เพื่อหาความต้านทานของลวดฮีตเตอร์เพื่อหาค่า (Rt) จากนั้นหาความต้านทานที่อุณหภูมิห้อง (R20) จากสมการ (3) โดยใช้ ค่า (f) จากสเปคชีทของผู้ผลิต

คำนวณหาความยาวของขดลวดความร้อนที่ใช้ (L)

จากขั้นตอนที่ 1 นำความยาวช่วงร้อน (heat zone) กำหนดรูปแบบของขดลวด ซึ่งจะได้ค่าความยาวลวดสปริงเมื่อยืด (Xe)

ใช้ค่า (Xe) แทนในสมการที่ (6) เพื่อหาค่า (Xc) และใช้ ค่า (Xc) แทนในสมการที่ (5) เพื่อหาค่า (L)

*เลือกอัตราส่วน D:d ระหว่าง 3:1–6:1 และค่า a ระหว่าง 2–6 ตามรูปสมการด้านบน

เลือกขนาดลวดจากค่า (R20) และ (L)

เลือกขนาดลวดจากสเปคชีทของผู้ผลิตโดยใช้ค่า R/L เปรียบเทียบ

ตรวจสอบโหลดความร้อนพื้นผิว

ตรวจสอบ (S) จากสมการที่ 4 โดยใช้ค่า (A) ที่ได้จากตารางสเปคของผู้ผลิตลวด

-หากค่าที่ได้ไม่อยู่ในช่วงแนะนำตามตาราง Surface load ให้ปรับเปลี่ยนอัตราส่วน D:d , a

-หากปรับเปลี่ยนแล้วยังไม่ได้ จำเป็นต้องออกแบบขดลวดใหม่เพื่อเปลี่ยนค่า (Xe)

ลวดฮีตเตอร์ต้องมีความต้านทานเท่าไร

ลวดฮีตเตอร์ต้องมีความต้านทานพอดีกับแรงดันและกำลังที่ออกแบบ (R = V² ÷ P) ถ้าสูงเกิน กระแสไหลได้น้อยและกำลังไม่ถึง ถ้าต่ำเกิน กระแสจะมากเกินจนลวดหรือเบรกเกอร์ทนไม่ได้ อ่านคำอธิบายเต็มได้ที่ หลักการทำงานของฮีตเตอร์

อ่านหลักการที่ไฟฟ้ากลายเป็นความร้อนได้ที่บทความ ฮีตเตอร์คืออะไร หลักการทำงานของฮีตเตอร์ และดูฮีตเตอร์จุ่มสำหรับบ่อชุบที่หน้า ฮีตเตอร์ชุบโลหะ

สรุป

สรุปขั้นออกแบบ: เริ่มจากกำลังและแรงดัน เลือกชนิดลวด คำนวณความต้านทานและความยาว แล้วตรวจโหลดความร้อนที่ผิวลวด ค่าที่ได้ต้องทดลองก่อนใช้งานจริง

คำถามที่พบบ่อย

ลวดนิโครมกับลวด Kanthal ต่างกันยังไง

ลวดนิโครมเป็นโลหะผสมนิเกิลกับโครเมียม เหนียว ขึ้นรูปง่าย ส่วน Kanthal เป็นโลหะผสมเหล็ก โครเมียม และอลูมิเนียม ทนอุณหภูมิได้สูงกว่าและน้ำหนักเบากว่า แต่เปราะกว่าหลังผ่านความร้อน

ลวดความร้อนขาด ต่อใหม่ได้ไหม

ในฮีตเตอร์แบบปิดผนึกต่อไม่ได้ ต้องเปลี่ยนทั้งตัว ส่วนขดลวดแบบเปิด ต่อได้เป็นการชั่วคราว แต่จุดต่อจะร้อนกว่าจุดอื่นและขาดซ้ำง่าย ควรเปลี่ยนเส้นใหม่

ทำไมลวดความร้อนยาวขึ้นแล้วร้อนน้อยลง

ลวดที่ยาวขึ้นมีความต้านทานมากขึ้น เมื่อแรงดันเท่าเดิม กระแสจะลดลง กำลังไฟจึงลดลงตามสูตร P = V² ÷ R

แหล่งอ้างอิง

• Kanthal Handbook: kanthal.com
• สเปคฮีตเตอร์มาตรฐาน POMEW: pomew.com/heater/