Отоплителен елемент Електрически отоплителни плочи нагреватели Основи Основи

Какви са нагревателните елементи? Как работят електрическите нагреватели? Какви видове продукти се предлагат? Какви видове отоплителни материали са налични? Изчерпателен преглед на основите на отоплителните елементи.

1. Какви са нагревателните елементи?
Отоплителният елемент е материал или устройство, което преобразува електрическата енергия директно в топлина или топлинна енергия чрез принцип, известен като нагряване на Joule. Нагряването на Joule е явлението, при което проводник генерира топлина поради потока на електрическия ток. Когато токът преминава през материал, електрони или други носители на заряд се сблъскват с йони или атоми на проводника, генерирайки триене в атомната скала. След това това триене се проявява като топлина. Първият закон на Joule (законът на Joule - Lenz) описва топлината, генерирана от тока в проводник. Изразява се като:

P=iv или p=i²r

Според тези уравнения количеството на генерираната топлина зависи от тока, напрежението или съпротивлението на проводниковия материал. Съпротивлението е ключов фактор за проектирането на отоплителен елемент.

Отоплението на Joule е очевидно във всички проводими материали с различна силна страни, с изключение на специален клас материали, известни като свръхпроводници. Като цяло проводимите материали генерират по -малко топлина, тъй като носителя на заряда тече лесно през тях, докато материалите с висока устойчивост генерират повече топлина. Суперпроводниците, от друга страна, позволяват на тока да тече, без да генерира топлина. Най -общо казано, топлината от проводник се счита за загуба на енергия. Електрическата енергия, използвана за захранване на устройство, генерира ненужна топлина под формата на загуби на предаване, в крайна сметка не произвежда полезна работа.

В известен смисъл елементите на електрическото отопление са почти 100% ефективни, тъй като цялата доставена енергия се преобразува в предвидената му форма. Нагревателните елементи могат не само да извършват топлина, но и да прехвърлят енергия чрез светлина и радиация. Това обаче се отнася само за частично идеални резистори. Присъщият капацитет и индуктивността на материала преобразуват електрическата енергия в електрически и магнитни полета, което води до малки загуби. Като се има предвид цялата нагревателна система, загубите идват от топлина, разсеяна от течността на процеса или на самия нагревател към външната среда. Следователно системата трябва да бъде изолирана, за да използва цялата генерирана топлина.

II. Свойства на отоплителния елемент
Почти всички проводници генерират топлина, когато токът тече през тях. Въпреки това, не всички проводници са подходящи за използване като отоплителни елементи. Необходима е правилната комбинация от електрически, механични и химични свойства. Следните свойства са важни при дизайна на отоплителните елементи.

Съпротивление: За генериране на топлина, отоплителният елемент трябва да има достатъчно електрическо съпротивление. Съпротивлението обаче не може да бъде толкова високо, че да се превърне в изолатор. Съпротивлението е равно на съпротивлението, умножено по дължина на проводника, разделена на проводник кръст - секция. За даден кръст -, за да получите по -кратък проводник, използвайте материал с по -голямо съпротивление.

Устойчивост на окисляване: Топлината обикновено ускорява окисляването в металите и керамиката. Окисляването може да консумира отоплителния елемент, намалявайки капацитета му или да повреди структурата му. Това ограничава живота на отоплителния елемент. За металните нагревателни елементи, легирането с оксида помага за устойчивост на окисляване чрез образуване на пасивационен слой. За керамичните нагревателни елементи защитното анти - мащабиране на окисляване с SiO₂ или al₂o₃ е най -често. Типовете на отоплителните елементи, неподходящи за използване в окислителни среди, като графит, най -често се използват във вакуумни пещи или пещи с не - окислителни атмосферни газове (като H₂, n₂, AR или той), където няма въздух в отоплителната камера.
Температурен коефициент на съпротивление: Забележете как се променя съпротивлението на материала с температурата. В повечето проводници, с увеличаване на температурата, съпротивлението също се увеличава. Това явление засяга някои материали по -значително от други. По -високият TCR се използва предимно при чувствителни към топлина -. За генериране на топлина обикновено се предпочита по -ниска стойност. Въпреки че промяната в съпротивата може да бъде точно предвидена в някои случаи, е необходимо драматично увеличение на съпротивата, за да се осигури повече мощност. За да се адаптира системата към промяната на съпротивлението, се използва система за контрол или обратна връзка.

Механични свойства: твърди нагревателни елементи се деформират, когато се използват при високи температури. С наближаването на материалът си разтопено или прекристализирано състояние, той отслабва и деформира по -лесно, отколкото при стайна температура. Добрият нагревателен елемент поддържа формата си дори при високи температури. От друга страна, пластичността е желано механично свойство, особено за метални нагревателни елементи. Ductitile дава възможност на материала да се начертае в тел и оформен, без да се компрометира якостта на опън.
Точка на топене: В допълнение към температурата, при която окисляването значително се увеличава, точката на топене на материал също ограничава работна температура. Керамиката обикновено има по -високи точки на топене от металните нагреватели.

Материали за отоплителни елементи

Свойствата на материала на отоплителния елемент стесняват избора до няколко материала. Най -често срещаните са никел - хром сплави, желязо - хром - алуминиеви сплави, силицид молибден и силициев карбид. Тези материали могат да работят при високи температури, тъй като се противопоставят на окисляването при високи температури. Друга група се състои от графит, молибден, волфрам и танталум. Тези материали се окисляват при високи температури и често се използват във вакуумна среда или пещи с кислород - свободна атмосфера.

Никел - хром (ni - cr) сплав
Този тип нагревателен елемент е един от най -широко използваните материали поради неговата пластичност, високо съпротивление и устойчивост на окисляване дори при високи температури. Най -често срещаният състав на сплав Ni - Cr е 80/20, или 80% никел и 20% хром. Други състави варират в зависимост от производителя. Поради високата си пластичност, той често се начертава в тел, когато се използва като отоплителен елемент. Общо приложение, което проявява тази характеристика, е горещо - резачки за пяна от тел. Максималната температура на нагряване на Ni - Cr проводник е приблизително 1100 до 1200 градуса.

Желязо - хром - алуминий (Fe - cr - al) сплав
Този тип феритен Fe - cr - al сплав обикновено има химичен състав от 20% до 24% хром, 4 - 6% алуминий и желязо като баланс. В сравнение с Ni - Cr, Fe - Cr - нагревателите са гъвкави и по -леки. Те могат също да генерират по -високи температури от Ni - Cr проводник, приблизително 1300 до 1400 градуса. Поради желязния си основен метал, цената на тази сплав се колебае по -малко от Ni - Cr, която се състои предимно от никел. Недостатък от използването на Fe - CR-AL сплави е тяхната намалена якост при по-високи температури.

Fe - Cr - сплави могат да бъдат произведени по -ефективно чрез процес, известен като прахообразна металургия. В този процес, сплит от сплавта се свежда до прах и се уплътнява във формата. След това се синхронира или горещо - натисна (горещо изостатично натискане) в температура - контролирана атмосфера, за да се създаде металургична връзка, без да се разтопи напълно прахообразния метал. Дисперсанти се добавят към сместа от сплав, за да се подобрят механичните свойства на материала, придавайки допълнителна якост и здравина при по -високи температури.

Молибден дисилицид (mosi₂)
Молибден дисилицид е огнеупорен комет (керамичен - метален композит), използван предимно като материал за отоплителен елемент. Поради високата си точка на топене и добрата устойчивост на корозия, тя е идеален материал за високи температурни пещи-. Нагревателните елементи MOSI₂ се произвеждат чрез различни енергийни - интензивни процеси, включително механично легиране, синтез на горене, синтез на въздействие и горещо изостатично натискане.

Mosi₂ нагревателите могат да постигнат температури на отопление до 1900 градуса. Недостатъците от използването на молибден силицид са ниската му здравина при околните условия и склонността му да пълзи при високи температури. Той е крехък при стайна температура и изисква екстремни грижи при работа. По -високата здравина се постига при крехката - до - пластична температура на прехода, около 1000 градуса. От друга страна, по -високата скорост на пълзене може да доведе до деформация на отоплителния елемент лесно при високи температури. Най -често срещаният тип MOSI2 елемент е двуетажен дизайн на косата-, обикновено окачен от покрива на пещта и разположен около стените на пещта. Други форми често се комбинират с керамични изолационни форми като интегриран пакет за осигуряване на механична поддръжка и топлинна изолация.

Силициев карбид (sic)
Това е керамика, произведена чрез прекристализиране или реакционна връзка SIC зърна при температури над 2100 градуса. Нагряващите елементи на силициев карбид са порести (обикновено 8 - 25%), което позволява на атмосферата на пещта да реагира през напречното сечение на материала. Целият нагревателен елемент може постепенно да се окислява, което води до увеличаване на резистивните му свойства с течение на времето (обикновено наричани "стареене"). Често се изисква променливо захранване на напрежението, за да се увеличи постепенно напрежението на елемента през експлоатационния си живот чрез постепенно поддържане на необходимия мощност. Това стареене в крайна сметка ограничава продължителността на живота и работата на нагревателния елемент.

Силиконов карбид има много свойства, които го правят подходящ за производство на отоплителни елементи, подходящи за изключително високи работни температури. Тази керамика няма течна фаза. Това означава, че елементът няма да провисва или деформира поради пълзене при каквато и да е температура и в рамките на пещта не се изисква опора. Силиконов карбид възвишава директно на приблизително 2700 градуса. Освен това, той е химически инертен за повечето процеси на течности и има висока твърдост и нисък коефициент на термично разширение. Нагревателите на силициев карбид могат да достигнат температури на отопление от приблизително 1600 до 1700 градуса.

Графит
Графитът е минерал, съставен от въглерод, в който атомите са подредени в шестоъгълна структура. Този минерал, също в синтетичната си форма, е отличен проводник на топлина и електричество. Графитът може да генерира топлина при температури над 2000 градуса. При високи температури електрическото му съпротивление се увеличава значително. Освен това, той може да издържи на топлинен шок и не става крехък дори след бързи цикли на отопление и охлаждане. Основният недостатък на използването на графит е тенденцията му да се окислява при температури около 500 градуса. Продължаващата употреба в този диапазон в крайна сметка ще доведе до изчерпване на материала. Графитните нагревателни елементи често се използват във вакуумни пещи, където кислородът и други газове се издуват от отоплителната камера. Това изчерпване на кислорода предотвратява окисляването не само на разтопения метал, но и на самия нагревателен елемент. Графитът може да се използва при запечатване на филми за създаване на тънки - филмови нагреватели като филми за отопление на въглероден кристал и филми за отопление на графен.

Молибден, волфрам и тантал
Когато се използват като нагревателни елементи, това са огнеупорни метали със свойства, подобни на графита. От тези метали волфрамът има най -висока работна температура, но също така е по -скъп. Molybdenum е по -популярен по отношение на наличността, тъй като е най -малко скъп, но все пак по -скъп от графита. Подобно на графита, те могат да се използват само при вакуумни условия поради силния им афинитет на свързване с кислород и дори водород и азот. Те започват да се окисляват при температури между приблизително 300 и 500 градуса.

Материали за положителна температура (PTC)
Типичният PTC материал е каучук, но е възможна и керамика. PTC каучук е изработен от полидиметилсилоксан (PDMS) и въглеродни наночастици. PTC нагревателите имат уникална характеристика: те поддържат или ограничават потока на тока, като увеличават съпротивлението си с увеличаване на температурата. Това ги прави безопасни и подходящи за приложения като постоянна температура и интелигентен контрол на температурата в облеклото и медицинските изделия. Първоначално нагревателят консумира цялата мощност и се загрява поради своето съпротивление. Докато топлината се натрупва, съпротивлението на материала се увеличава, действайки като изолатор. Това се постига без нужда от никакъв контур за обратна връзка.

Видове елементи на отопление
Само отоплителният елемент не включва цялата отоплителна система. В допълнение към нагревателния елемент, нагревателят включва и клеми, проводници, изолация, пълнител, обшивка и уплътнения. Тези нагреватели се предлагат в различни форми и конфигурации, за да отговарят на конкретни приложения. Следното изброява най -често срещаните нагреватели и техните приложения.

Нагреватели за въздушни процеси: Както подсказва името, този тип нагреватели се използва за топлинен течащ въздух. Нагревателят на въздушния процес по същество е отопляема тръба или канал с единия край за приема на хладен въздух, а другият за изхода на горещия въздух. По протежение на стената на канала има намотки от нагревателни елементи, изолирани от керамични и не - проводими уплътнения. Те обикновено се използват във висок - поток, ниски - приложения за налягане. Приложенията за нагревателите на въздушния процес включват свиване на топлина, ламиниране, лепило активиране или втвърдяване, сушене и печене.

Нагреватели на патрони: При този тип нагревател проводник се навива около керамично ядро, обикновено изработена от уплътнен магнезиев оксид. Предлагат се и правоъгълни конфигурации, при които намотките за съпротивителна жица преминават три до пет пъти по дължината на патрона. Проводникът за съпротивление или нагревателния елемент е разположен в близост до стената на материала на обвивката, за да се увеличи максимално топлопредаването. За да се защити вътрешните компоненти, обвивката обикновено е изработена от устойчив на корозия -, като неръждаема стомана. Проведенията обикновено са гъвкави, като двата терминала са разположени в единия край на патрона. Нагревателите за патрони се използват за отопление на плесен, отопление на течността (потапящи нагреватели) и повърхностно отопление.

Тръбни нагреватели: Тръбните нагреватели имат същата вътрешна конструкция като нагревателите на патроните. Основната разлика от нагревателите на касетата е, че оловните терминали са разположени във всеки край на тръбата. Цялата тръбна структура може да бъде огъната в различни форми, за да отговаря на желаното разпределение на топлината на пространството или повърхността, която трябва да се нагрява. Освен това, тези нагреватели могат да имат перки, механично свързани към повърхността на обвивката, за да подпомогнат ефективния топлопренос. Тръбните нагреватели са също толкова многофункционални, колкото и нагревателите на патрони и се използват в подобни приложения.

Нагреватели на ленти: Тези нагреватели са проектирани да се увиват около цилиндрични метални повърхности или съдове, като тръби, бъчви, барабани и екструдери. Те разполагат с болт - на заключващи раздели, които сигурно притискат към повърхността на съда. Нагревателят е тънка, резистивна жица или панделка, обикновено изолирана с слюда. Шутата е изработена от неръждаема стомана или месинг. Друго предимство на използването на нагревател на лентата е, че той загрява течността в съда косвено. Това означава, че нагревателят не е обект на никаква химическа атака от процесорната течност. Това също предотвратява потенциалните пожари, когато се използват в услугата за масло и смазка.

Нагреватели на ленти: Тези нагреватели са плоски, правоъгълни и закрепени към повърхността, за да се нагряват. Вътрешната им конструкция е подобна на тази на нагревател на лентата. Въпреки това, изолационният материал, в допълнение към слюда, може да бъде керамичен, като магнезиев оксид и фибростъкло. Типичните приложения за нагревателите на ленти са повърхностно отопление за плесени, матрици, планове, резервоари, тръби и други подобни. В допълнение към повърхностното отопление, те могат да се използват и за отопление на въздух или течност, като имат глобена повърхност. Нагревателите се намират в фурни и пространствени нагреватели.

Нагреватели за ецване на фолио: Нагревателите за ецване на фолио се наричат ​​също тънки - филмови нагреватели. При този тип резистивният отоплителен материал се грави и се свързва с фолио, обикновено изработен от алуминий. Ако са необходими по -голяма гъвкавост и устойчивост на разкъсване, субстратът може да бъде направен и от топлина - устойчив синтетичен каучук или термопластичен полиуретан (TPU). Често срещани гъвкави нагреватели като филм за отопление на домашни любимци, отоплителен филм за FPC и силиконови нагреватели често използват оформени нагреватели на фолио. Освен гъвкавост, друго предимство е плътното разстояние на нагревателните елементи, присъщо предимство на фотохимичното офорт. Дори при такъв малък форм фактор може да се постигне разпределение на топлина с по -голяма плътност на топлината. В сравнение с традиционните телени нагреватели, неговите приложения са по -специализирани. Нагревателите за офорт на фолио обикновено се използват в медицински изделия, електроника и инструментариум, аерокосмическо пространство и облекло. Едната страна може да бъде облицована с лепилен слой за лесна инсталация.

Керамични нагреватели: Тези нагреватели използват керамика с висока точка на топене, висока термична стабилност, висока - температурна якост, висока относителна химическа инертност и нисък топлинен капацитет. Обърнете внимание, че това е различно от керамиката, използвана като изолационни материали. Поради отличната си топлопроводимост, те се използват за провеждане и разпределение на топлина от нагревателния елемент. Забележителните керамични нагреватели включват силициев нитрид и алуминиев нитрид. Те често се използват за бързо отопление, както се вижда от светещи щепсели и запалители. Въпреки това, когато е подложен на бързо, високо - температурно отопление и охлаждащи цикли, материалът е податлив на напукване поради умора, причинена от термичен стрес. Специален тип керамичен нагревател е PTC керамика. Този тип себе си - регулира консумацията на мощност, като не позволява да се застъпи.

Нагревател за керамични влакна: В този тип нагревател керамичните влакна действат като изолатор, концентрирайки топлина върху повърхността, за да се нагрява, за да се предотврати загубите на системата. Устойчивост на съпротива се навива около едната страна на постелката на керамичните влакна. Тази страна е свързана към повърхността, която може да се нагрее до 1200 градуса.

Заключение:
Отоплителният елемент е материал или устройство, което преобразува електрическата енергия директно в топлина или топлинна енергия чрез принцип, известен като нагряване на Joule.
Най -важните свойства на отоплителния елемент са адекватно съпротивление, високо съпротивление на окисляване, коефициент на устойчивост с ниска температура, висока здравина и висока точка на топене.
Често използваните нагревателни елементи включват никел - хром сплави, желязо - хром - алуминиеви сплави, дисилицид на молибден и силициев карбид. Графит и други огнеупорни метали, които обикновено имат високи скорости на окисляване, също са популярни.
В допълнение към нагревателния елемент, нагревателят включва и клеми, проводници, изолация, пълнители, обвивки и уплътнения. Тези нагреватели се предлагат в различни форми и конфигурации, за да отговарят на конкретни приложения.
Типичните спецификации за подреждане на нагревателя включват мощност или мощност, максимална работна температура, тип процесна течност, материал на обвивката и захранване (напрежение и честота).