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Aggiornamento 6/4/16

Premessa
La costruzione di una coil è un'attività annoverabile tra le arti, praticate da veri e propri artigiani. Ogni artigiano ha i suoi segreti e le sue raccomandazioni ed agli occhi di un neofita sembra un mondo governato dalla sapienza di alcuni.
Ma l'accumulo di esperienza, conoscenza e studio a riguardo, perlomeno nella comunità dei vapers, è oramai vastissimo e si sono consolidate alcune pratiche ed indicazioni di carattere fisico tecnico da cui non si può più prescindere.

E' ancora sicuramente troppo presto per trasformare l'arte della coil in scienza della coil ma è tempo di mettere qualche paletto e chiare alcuni concetti.

Io cerco di farlo in questo scritto con tutti i limiti della mia conoscenza. Me ne assumo interamente la responsabilità è sono aperto al confronto. Per sua natura questo post sarà continuamente in uno stato di Work in Progress.



Introduzione

La resistenza all'interno del nostro atom, generalmente a forma di bobina (coil), ha la doppia funzione di
  1. trasformare l'energia elettrica in calore
  2. trasmettere tale calore al liquido in modo che evapori.
La trasformazione dell'energia elettrica in calore avviene per effetto Joule: la corrente che scorre lungo la resistenza aumenta l'agitazione molecolare ovvero la temperatura del metallo di cui è composta la resistenza. La cessione del calore al liquido avviene tramite la superficie di contatto tra la resistenza ed il liquido veicolato dalla wick.

Le caratteristiche del vapore prodotto dipendono

  • dalla potenza P , che determina grossomodo la quantità di vapore prodotto
  • dal carico termico di superficie (surface load) F, noto anche come flusso termico, definito come rapporto tra la potenza e la superficie di scambio della coil: F = P/S.

Il flusso termico deve avere un valore ragionevole compreso in un certo intervallo. Se è troppo basso il liquido si scalda senza evaporare, se è troppo alto la resistenza va a secco, si surriscalda e si carbonizzano i residui solidi ed eventualmente il materiale della wick.

Nella tecnologia degli scambiatori di calore, in funzione dell'applicazione, il carico di superficie è solitamente compreso tra 0.1 e 100 W/cm2, ma restringendo l'attenzione ai riscaldatori per immersione in liquidi, l'intervallo si restringe considerevolmente tra i 4 ed gli 80 W/cm2. Considerato che negli atomizzatori il liquido da evaporare viene trasportato sulla coil attraverso un materiale assorbente, la wick, che contrasta i moti convettivi, il limite superiore si riduce ulteriormente. Inoltre il tempo necessariamente breve in cui si deve realizzare l'evaporazione, innalza anche il limite inferiore ed infatti l'intervallo del flusso termico nel vaping è all'incirca compreso tra 10 e 50 W/cm2. Avvicinandosi al limite inferiore di 10 W/cm2 si ottiene un'evaporazione lenta e dolce mentre a 50 W/cm2 l'evaporazione è violenta e rapida, accompagnata da molti piccoli scoppi con la possibilità di surriscaldamenti localizzati della coil.

Siccome una coil o parte di essa è anche lambita dal flusso d'aria (dovuto all'aspirazione) che asporta i vapori prodotti e d anche calore, il flusso termico ideale dipenderà anche dalla quantità d'aria circolante: tanto maggiore è il flusso d'aria, tanto maggiore può essere il flusso termico. Il flusso d'aria dipende dallo stile di vaping, è molto basso nel tiro di guancia (75 ml di aria durante tutto il tiro) e può essere elevatissimo nel tiro di polmone (anche 3 o 4 litri). Pertanto nel tiro di guancia è difficile superare i 30-35 W/cm
2 mentre nel il tiro di polmone si può arrivare anche a 50 W/cm2 (o almeno qualcuno dice di arrivarci senza bruciare tutto).

[Nota tecnica. Se non ci fosse il flusso d'aria, il flusso termico della coil dovrebbe essere ridotto drasticamente rispetto ai valori menzionati in quanto la presenza della wick limita enormemente i moti convettivi del liquido. Per questo motivo in un atomizzatore ben regolato per il vaping si devono evitare i difetti di sincronia tra erogazione di potenza ed aspirazione ]

Fissato l'intervallo di flusso in base a criteri fisico-tecnici, il flusso di superficie ideale dipende dai gusti personali ma anche dal tipo di liquidi che si usano. I liquidi fruttati prediligono bassi carichi termici che garantiscono la massima purezza del vapore per una restituzione fedele degli aromi freschi, mentre i liquidi tabaccosi macerati e legnosi si gustano meglio con alti carichi termici e vapori caldi.
Per mia esperienza personale, e quindi soggettiva, il flusso termico ideale per il tiro di guancia è compreso tra 18 e 35 W/cm2.

Fissata la potenza P di alimentazione ed il flusso F rimane immediatamente determinata la superficie S della coil S = P/F.
Consiglio di dimensionare la superficie usando un valore intermedio di flusso, io uso 25 W/cm2



Determinazione della geometria della coil

Nelle figure che seguono è riportata una classica coil ad 8 spire (7 complete + 2 mezze). Le quotature servono per capire quali sono i parametri che caratterizzano la geometria di una coil:
  • Lc: lunghezza della coil, da non confondersi con la lunghezza del filo
  • Lp: passo. E' la distanza tra due spire tra ovvero tra i centri di due sezioni adiacenti
  • Di: diametro interno
  • De: diametro esterno coincidente con la somma del diametro interno e 2 volte il diametro del filo
  • Lg: lunghezza delle gambe

coil_3d.jpg coil_quotata.jpg


Nota la superficie S della coil, dobbiamo determinare la sua geometria ovvero
  1. il numero di spire;
  2. il diametro interno;
  3. il diametro del filo resistivo. Il passo della coil ha un'influenza spesso trascurabile sula superficie.
Il passo della coil ha un'influenza generalmente trascurabile sulla superficie, a meno che non si consideri una contact coil ovvero una coil con passo uguale al diametro del filo, ed in tal caso la superficie di calcolo (o efficace ai fini della vaporizzazione) deve essere dimezzata. Il passo della coil è determinante invece nella sua lunghezza:

Lc = n * Lp.


La tabella che segue riporta la superficie efficace di scambio termico (in mm2) di una coil con diametro interno di 3 mm al variare del numero di spire e del diametro del filo. Si noti come si può ottenere la stessa superficie con combinazioni assai diverse. In appendice riporto anche dei grafici parametrici che rappresentano i dati in tabella, per diametri interni di 2 e 3 mm.


Diametro interno 3 mm, passo pari a 2 volte il diametro del filo (il passo influisce pochissimo)
Diametro filo [mm]
N. Spire0.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60
41219253239465461697785
515233240495867778696107
61828384859698192104116128
721334456688194107121135149
8243751647893107123138154171
92842577288104121138156174192
103147638098116134153173193213
1134516988108127148169190212235
1237567696117139161184207232256
13406182104127151175199225251278
14436588112137162188215242270299
15467095120147174201230259289320
164975101128156185215245277309342
175279107136166197228261294328363
185584114144176208242276311347384
195889120152186220255291329367406
206193126161196232269308347387429


Conviene usare la tabella (o i grafici in appendice) solo per identificare preliminarmente la geometria e calcolare la superficie efficace della coil con la formula approssimata (molto bene)

S = n * 3.14 2 * (Di+fi) * fi

dove

n : numero di spire
fi : diametro del filo
Di : diametro interno



Reattività della coil: capacità termica

La capacità termica C della coil dipende dal suo volume e dal materiale di cui è composta secondo la relazione

C = v * g * cm

dove

v : volume della coil
g : densità di massa del materiale
cm : calore specifico del materiale per unità di massa.

La capacità termica indica quantità di energia ( Joule) che deve essere fornita alla coil affinché si riscaldi di un grado centigrado.

Introducendo il calore specifico per unità di volume cv = g * cm la relazione si semplifica

C = v *cv

ed il valore di cv per i vari materiali è riportato nella tabella delle caratteristiche dei materiali (in fondo all'articolo).

Il volume v si può calcolare con ottima approssimazione mediante la relazione

v = n * 3.14 2 /4 * (D+fi) * fi 2

o, equivalentemente,

v = S * fi/4.

Ora si pone il problema di caratterizzare la reattività, posto che la capacità termica è sì il parametro che la caratterizza ma il suo valore non ha un significato immediato. Mi spiego meglio. Se uno ci dice che una coil ha una capacità termica C = 15 mJ/°C, su due piedi non sappiamo dire se si tratta di una coil reattiva o meno.

La reattività indica quanto velocemente la coil arriva a temperatura per una data potenza di alimentazione e pertanto una misura significativa di reattività è il tempo.

Nota la capacità C , la potenza di alimentazione P e fissata una temperatura convenzionale T = 220 °C, il tempo (ideale) necessario per riscaldare la coil da T0 = 20°C a T = 220 °C risulta

t=C * (T-T0) / P.

Pertanto con C=15 mJ/°C, P=30W e T-T0 =200 °C otteniamo

t=0.015 * 200 / 30 = 0.1

valore molto piccolo corrispondente ad una reattività molto elevata: ci vuole un decimo di secondo per portare a 220 °C la coil alimentandola a 30 W .


A questo punto possiamo introdurre una definizione precisa:



La reattività di una coil è il tempo, in secondi, necessario ad una coil per riscaldarsi di 200 gradi centigradi quando viene alimentata alla sua potenza nominale:
t = 200 * C / P


A parità di volume sarà più reattiva la coil fatta con il materiale che ha calore specifico più basso. In questo senso il Titanio è il materiale più reattivo, quasi il doppio rispetto a nichel ed SS.

Con pochi passaggi algebrici si ricava l'espressione



t = 50 * cv/F *fi

estremamente significativa ed utile perché ci dice che fissato il materiale (cioè cv) ed il flusso termico F , la reattività è tanto migliore quanto più piccolo è il diametro fi del filo.


Esempio di progetto di una coil

Supponiamo di voler svapare a 30W dei liquidi fruttati e di volere un vapore appena tiepido corrispondente grossomodo a 24 W/cm2 di flusso.
E' utile ovvero che nelle unità usate da steam-engine 24 W/cm2 corrispondono a 240 mW/mm2.

Dalla relazione F= P/S si ricava immediatamente la superficie che dovrà avere la coil:

S = P/F = 30 / 0.24 = 125 mm2 .

Dalla tabella sopra riportata, cercando valori di superficie prossimi a 125 mm2, deduco che per fare una coil da 3 mm di diametro interno ho diverse possibilità:



  1. --- 6 spire da 0.6 mm
  2. --- 7 spire da 0.50
  3. --- 8 spire da 0.45
  4. --- 9 spire da 0.40
  5. --- 11 spire da 0.35
  6. --- 13 spire da 0.3

Le stesse informazioni si ricavano usando il secondo grafico parametrico riportato in appendice.

La scelta della giusta combinazione numero di spire- diametro del filo dipende dalle dimensioni di ingombro che posso permettermi (dalla geometria del RBA/RTA), ma anche dalla reattività. A tipo di materiale fissato, la reattività è tanto più alta quanto più basso è il volume della coil.

La scelta di grossi diametri di filo rende più compatta, rigida e durevole la coil ma poco reattiva mentre, al contrario, l'uso di diametri piccoli la rende ingombrante, deformabile, poco durevole ma molto reattiva. La scelta deve bilanciare pro e contro. Con un materiale intrinsecamente reattivo (Titanio e Tungsteno) possiamo permetterci diametri maggiori mentre con materiali poco reattivi (Ni200 ed SS) dobbiamo usare diametri inferiori.

Si decide quindi di fare 9 spire con un filo da 0.40 corrispondenti ad una superficie di scambio


S=n * 3.14 2 * (Di+fi) * fi = 9 * 3.14 2 * (3+0.4) * 0.4 = 120.8 mm2

ed un volume

v = n * 3.14 2 /4 * (Di+fi) * fi 2 =9 * 3.14 2 /4 * (3+0.4) * 0.4 =12.1 mm3



Usando il Titanio la capacità termica della coil sarà

C = v *cv =12.1 * 2.32 = 28.07 mJ/°C

e la reattività convenzionale

t = C * 200 / P = 0.028 * 200 /30 = 0.187


Usando invece il Nichel si avrà

C = 12.1 *4.06 = 49.13 [mJ/°C]

e


t = 0.049 * 200 /30 = 0.327

Se optiamo per un coil "normale" ovvero una coil con il passo Lp uguale a 2 volte il diametro del filo, la lunghezza della coil sarà

Lc = n * Lp = 9*2*0.4 = 7.2 mm

valore molto usuale che ben si adatta alla maggior parte degli RBA.




APPENDICE

Tabella delle caratteristiche termoelettriche dei materiali resistivi


res
[ohm/m]
g
[kg/m3]
cv
[mJ/(mm3 °C)
TCR
[1/°C]*106
Nichel1.8888904.066087
Kanthal A128.3971003.272
Titanio9.244302.323660
SS30413.9680004.001016
SS316L14.6980004.00879
SS32114.6180904.05917
Tungsteno10.97192502.584500
Nifethal 703.9284504.405250
Nichrome 6021.7385003.80178



Grafici parametrici della superficie delle coil

Grafici parametrici per scegliere numero di spire e sezione del filo in funzione della superficie di scambio desiderata. Scaricateli ed ingranditeli.
Scegliete la curva corrispondente all'area desiderata (il numeretto associato ad ogni curva) e quindi seguendo la curva ad ogni diametro di filo (in ordinata) corrisponde un numero di spire (in ascissa)


Diametro interno 2 mm


CoilSurface_DI_2.jpg


Diametro interno 3 mm

CoilSurface_DI_3.jpg

Letture interessanti:

Steam Engine: Basic & advanced features: Pts. One & Two | E-Cigarette Forum



Update 9/9/16

La scelta si semplifica enormemente usando la tabella che segue. Si sceglie prima la potenza media a cui si vuol svapare, si individua il colore corrispondente e infine si cerca la combinazione Numero di spire-diametro del filo più adatta.

Progetto coil fi3.jpg
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