A causa delle differenze tra le pratiche nazionali e internazionali, la terminologia per questo tipo di tubo di riscaldamento elettrico varia-viene chiamato riscaldatore "single-end" o "a cartuccia". Alla fine degli anni ’90, quando i tubi per il riscaldamento elettrico si diffusero in Cina, i loro progetti si diversificarono. Nella Cina meridionale, il tipo di tubo riscaldante utilizzato per gli stampi, con i cavi elettrici che escono da un'estremità, veniva vivacemente chiamato "tubo riscaldante a estremità singola". A livello internazionale è noto come "riscaldatore di cartuccia", termine anche descrittivo perché l'involucro della cartuccia è cilindrico e sigillato a un'estremità, il che è concettualmente simile al nome cinese.
A differenza dei tubi di riscaldamento a doppia-estremità (con cavi su entrambe le estremità), il riscaldatore a cartuccia ha i collegamenti elettrici su un solo terminale e in genere utilizza una configurazione di cablaggio a stella (stella). Viene utilizzato principalmente per il riscaldamento di stampi o per il riscaldamento ad aria secca, essendo il riscaldamento dello stampo l'applicazione più comune. A questo scopo, il riscaldatore viene inserito direttamente in un foro praticato nello stampo e spesso viene aggiunta una rondella o un dispositivo simile all'estremità terminale per fissarlo in posizione e impedirne il movimento.
Considerazioni critiche durante la selezione e la produzione dei riscaldatori a cartuccia includono l'adattamento tra il diametro esterno (OD) del riscaldatore e il diametro del foro dello stampo. Se il diametro esterno del riscaldatore è troppo grande, semplicemente non può essere inserito nel foro. Inoltre, è necessario tenere conto della dilatazione termica del riscaldatore durante il funzionamento, poiché uno spazio inadeguato può complicare la futura manutenzione o rimozione. Al contrario, se il diametro esterno è troppo piccolo, traferri eccessivi tra il riscaldatore e la parete del foro ostacoleranno in modo significativo l'efficienza del trasferimento di calore e ridurranno drasticamente la durata del riscaldatore. Altrettanto importanti sono le specifiche corrette della potenza nominale del riscaldatore e della tensione operativa.
Al suo interno, un tubo riscaldante contiene un filo di resistenza all'interno di una guaina metallica, simile all'elemento riscaldante di una stufa elettrica. Il principio fondamentale del riscaldamento di un riscaldatore a cartuccia è la generazione di calore quando una corrente elettrica passa attraverso un materiale resistivo. Questo è governato dalla legge del riscaldamento di Joule: il calore prodotto è proporzionale al prodotto del quadrato della corrente e della resistenza (H ∝ I²R).
Il meccanismo fisico sottostante è l'effetto di riscaldamento Joule (riscaldamento resistivo): gli elettroni vengono accelerati dal campo elettrico, acquistando energia cinetica e velocità. Successivamente si scontrano con altre particelle (atomi, molecole, ammassi atomici) all'interno del conduttore, trasferendo loro energia cinetica. Questo aumento dell'energia cinetica media delle particelle si manifesta come un aumento della temperatura.
Pertanto, il principio di riscaldamento di un riscaldatore a cartuccia si basa sul filo di resistenza interno che genera calore quando la corrente lo attraversa. Sotto una tensione fissa, secondo la formula di potenza (P=V²/R), una resistenza più elevata si traduce in una potenza in uscita inferiore, mentre una resistenza inferiore si traduce in una potenza in uscita maggiore.
Ciò potrebbe portare alla domanda: l'utilizzo di un filo resistivo con una resistenza molto bassa sarebbe più conveniente-e produrrebbe una maggiore efficienza termica? La risposta è negativa. In genere, per una determinata lunghezza e materiale, una resistenza più elevata è correlata a un diametro del filo più piccolo (area della sezione trasversale). Sotto una tensione fissa, un filo con resistenza inferiore consentirebbe effettivamente il passaggio di una corrente maggiore (I=V/R). Se questa corrente supera la capacità di trasporto di corrente-(portanza) del filo sottile, può causare surriscaldamento, stress termico eccessivo e, infine, causare la frattura o il guasto prematuro del filo. Pertanto, la resistenza dell'elemento riscaldante non è qualcosa per cui "più grande è, meglio è". La scelta del filo resistivo appropriato deve essere basata sui requisiti pratici dell'applicazione, garantendo un funzionamento affidabile entro limiti elettrici e termici sicuri.
