Нагревательный элемент Электрический нагревательной пластин

Что такое нагревательные элементы? Как работают электрические обогреватели? Какие виды продуктов доступны? Какие виды отопления доступны? Комплексный обзор оснований элементов отопления.

1. Что такое нагревательные элементы?
Нагревательный элемент - это материал или устройство, которое преобразует электрическую энергию непосредственно в тепловую или тепловую энергию по принципу, известному как нагрева джоуля. Нагревание в джоуле - это явление, при котором проводник генерирует тепло из -за потока электрического тока. Когда ток протекает через материал, электроны или другие носители заряда сталкиваются с ионами или атомами проводника, генерируя трение в атомной шкале. Это трение затем проявляется как тепло. Первый закон Джоула (Joule - Lenz Law) описывает тепло, генерируемое током в проводнике. Это выражается как:

P=iv или p=i²r

В соответствии с этими уравнениями количество генерируемого тепла зависит от тока, напряжения или сопротивления материала проводника. Сопротивление является ключевым фактором в конструкции нагревательного элемента.

Нагревание в джоуле очевидно во всех проводящих материалах различной прочности, за исключением специального класса материалов, известных как сверхпроводники. Как правило, проводящие материалы генерируют меньше тепла, потому что носители заряда легко протекают через них, в то время как материалы с высоким сопротивлением генерируют больше тепла. Сверхпроводники, с другой стороны, позволяют току течь, не генерируя никакого тепла. Вообще говоря, тепло от проводника считается потерей энергии. Электрическая энергия, используемая для питания устройства, генерирует ненужную тепло в виде потерь передачи, в конечном итоге не дает полезной работы.

В некотором смысле, электрические элементы нагревания почти на 100% эффективны, потому что вся снабжаемая энергия преобразуется в ее предполагаемую форму. Нагревающие элементы могут не только проводить тепло, но и переносить энергию посредством света и излучения. Однако это относится только к частично идеальным резисторам. Врожденная емкость и индуктивность материала превращают электрическую энергию в электрические и магнитные поля соответственно, что приводит к незначительным потерям. Учитывая всю систему нагревателя, потери поступают из -за тепла, рассеянного от жидкости процесса или самого нагревателя до внешней среды. Следовательно, система должна быть изолирована для использования всего сгенерированного тепла.

II Свойства нагревательного элемента
Почти все проводники генерируют тепло, когда ток протекает через них. Однако не все проводники подходят для использования в качестве элементов отопления. Требуется правильная комбинация электрических, механических и химических свойств. Следующие свойства важны для дизайна нагревателя.

Удельное сопротивление: Для генерации тепла нагревательный элемент должен иметь достаточное электрическое сопротивление. Однако сопротивление не может быть настолько высоким, что становится изолятором. Сопротивление равна удельному сопротивлению, умноженное на длину проводника, деленную на раздел проводника -. Для данного креста -, чтобы получить более короткий проводник, используйте материал с более высоким удельным сопротивлением.

Устойчивость к окислению: тепло обычно ускоряет окисление в металлах и керамике. Окисление может употреблять нагревающий элемент, уменьшая его способность или повредить его структуру. Это ограничивает жизнь нагреваемого элемента. Для элементов нагревания металлов легирование с оксидом помогает противостоять окислению, образуя пассивирующий слой. Для элементов керамического нагрева защитный анти - масштабирование окисления с помощью Sio₂ или Al₂O₃ является наиболее распространенным. Типы нагревательных элементов, не подходящие для использования в окислительных средах, таких как графит, чаще всего используются в вакуумных печи или печи с non - окисляющими атмосферными газами (например, H₂, N₂, AR или он), где в камере нагревания нет воздуха.
Температурный коэффициент сопротивления: обратите внимание, как изменяется удельное сопротивление материала с температурой. У большинства проводников, по мере повышения температуры, сопротивление также увеличивается. Это явление поражает некоторые материалы более значительно, чем другие. Более высокий TCR в основном используется в Heat - чувствительных приложениях. Для генерации тепла более низкое значение обычно предпочтительнее. Хотя изменение сопротивления может быть точно предсказано в некоторых случаях, для обеспечения большей мощности требуется значительное увеличение сопротивления. Чтобы адаптировать систему к изменению удельного сопротивления, используется система управления или обратной связи.

Механические свойства: жесткие нагревательные элементы деформируются при использовании при высоких температурах. По мере того, как материал приближается к своему расплавленному или перекристаллизованному состоянию, он ослабевает и деформируется легче, чем при комнатной температуре. Хороший нагревательный элемент поддерживает свою форму даже при высоких температурах. Плодость, с другой стороны, является желательным механическим свойством, особенно для элементов нагревания металлов. Пластичность позволяет втягиваться материал в проволоку и формировать, не ставя под угрозу прочность на растяжение.
Точка плавления: в дополнение к температуре, при которой окисление значительно увеличивается, температура плавления материала также ограничивает его рабочую температуру. Керамика обычно имеет более высокие точки плавления, чем металлические обогреватели.

Материалы отопления

Свойства материала нагревательного элемента сокращают выбор до нескольких материалов. Наиболее распространенными являются Nickel - Хромиумные сплавы, железо - Chromium - алюминиевые сплавы, силицид молибдена и карбид кремния. Эти материалы могут работать при высоких температурах, потому что они противостоят окислению при высоких температурах. Другая группа состоит из графита, молибдена, вольфрама и тантала. Эти материалы окисляются при высоких температурах и часто используются в вакуумных средах или печи со свободной атмосферой кислорода-.

Nickel - Chromium (ni - cr) сплав
Этот тип нагревательного элемента является одним из наиболее широко используемых материалов из -за его пластичности, высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению даже при высоких температурах. Наиболее распространенная композиция сплава Ni - Cr составляет 80/20 или 80% никеля и 20% хром. Другие композиции варьируются в зависимости от производителя. Из -за его высокой пластичности его часто попадают в проволоку при использовании в качестве нагревательного элемента. Общим применением, которое показывает эту характеристику, является горячим - резак с проволочной пеной. Максимальная температура нагрева Ni - Cr провод составляет приблизительно от 1 100 до 1200 градусов.

Iron - Chromium - алюминий (fe - cr - al) сплав
Этот тип ферритного сплава Fe - cr - al обычно имеет химический состав от 20% до 24% хром, 4 - 6% алюминий и железо в качестве баланса. По сравнению с ni - cr, fe - cr - нагреватели Al гибкие и легче. Они также могут генерировать более высокие температуры, чем Ni - CR провода, примерно от 1300 до 1400 градусов. Из -за своего железного базового металла цена этого сплава колеблется меньше, чем Ni - Cr, который в основном состоит из никеля. Недостатком использования Fe - Cr-Al сплавов является их уменьшенная сила при более высоких температурах.

Fe - cr - сплавы Al могут быть изготовлены более эффективно через процесс, известный как порошковая металлургия. В этом процессе слиток сплава уменьшается до порошка и уплотняется в форму. Затем он спех или горячий - нажатый (горячая изостатическая нажатия) в контролируемой атмосфере- для создания металлургической связи без полного плавления порошкообразного металла. Диспсеры добавляются в сплавную смесь, чтобы улучшить механические свойства материала, придавая дополнительную прочность и прочность при более высоких температурах.

Дилицид молибдена (mosi₂)
Дилицид молибдена - это рефрактерный Cermet (Ceramic - Металлический состав), в основном используемой в качестве материала нагревательного элемента. Из -за высокой температуры плавления и хорошей коррозионной стойкости, это идеальный материал для высоких - температурных печей. Нагревающие элементы Mosi₂ производятся с помощью различных энергии - интенсивных процессов, включая механическое легирование, синтез сжигания, синтез удара и горячее изостатическое прессование.

Нагреватели Mosi₂ могут достичь температуры нагрева до 1900 градусов. Недостатки использования молибдена силицид - это низкая прочность в условиях окружающей среды и его тенденция к ползти при высоких температурах. Это хрупко при комнатной температуре и требует чрезвычайной помощи при обработке. Более высокая прочность достигается при хрупкой - до - температуры пластичного перехода, около 1000 градусов. С другой стороны, более высокая скорость ползучести может привести к легкому деформированию нагревательного элемента при высоких температурах. Наиболее распространенным типом элемента MOSI2 является два - дизайн шпильки хвостовика, обычно подвешенный на крыше печи и расположенный вокруг стен печи. Другие формы часто объединяются с керамическими изоляционными формами в качестве интегрированного пакета для обеспечения механической поддержки и теплоизоляции.

Карбид кремния (sic)
Это керамика, полученная путем перекристаллизации или реакционной связи SIC зерна при температуре выше 2100 градусов. Кремниевые элементы нагрева карбида являются пористыми (обычно 8 - 25%), что позволяет атмосфере печи реагировать через поперечное сечение материала. Весь нагревательный элемент может постепенно окислять, что приводит к увеличению его резистивных свойств с течением времени (обычно называемым «стареющим»). Для постепенного увеличения напряжения элемента часто требуется блок питания с переменным напряжением, постепенно поддержав необходимую выходную мощность. Это старение в конечном итоге ограничивает продолжительность жизни и производительность нагревательного элемента.

Кремниевый карбид обладает множеством свойств, которые делают его подходящим для изготовления элементов отопления, подходящих для чрезвычайно высоких рабочих температур. Эта керамика не имеет жидкой фазы. Это означает, что элемент не будет провисать и не деформировать из -за ползучести при любой температуре, и в печи не требуется поддержка. Кремниевый карбид возвышается непосредственно на приблизительно 2700 градусах. Кроме того, он химически инертный по отношению к большинству обрабатывающих жидкостей и имеет высокую жесткость и низкий коэффициент теплового расширения. Кремниевые карбидные обогреватели могут достигать температуры нагрева примерно от 1600 до 1700 градусов.

Графит
Графит представляет собой минерал, состоящий из углерода, в котором атомы расположены в гексагональной структуре. Этот минерал, также в его синтетической форме, является отличным проводником тепла и электричества. Графит может генерировать тепло при температуре, превышающих 2000 градусов. При высоких температурах его электрическое сопротивление значительно увеличивается. Кроме того, он может противостоять тепловому шоку и не становится хрупким даже после быстрого нагрева и циклов охлаждения. Основным недостатком использования графита является его тенденция окислять при температуре около 500 градусов. Постоянное использование в этом диапазоне в конечном итоге приведет к истощению материала. Элементы нагревания графита часто используются в вакуумных печи, где кислород и другие газы вентиляются из камеры отопления. Это истощение кислорода предотвращает окисление не только расплавленного металла, но и самого нагревательного элемента. Графит может использоваться в пленке для создания тонких - пленочных нагревателей, таких как углеродистые нагревающие пленки и графеновые нагревающие пленки.

Молибден, вольфра
При использовании в качестве нагревательных элементов это рефрактерные металлы со свойствами, похожими на графит. Из этих металлов вольфрам имеет самую высокую рабочую температуру, но также дороже. Молибден более популярен с точки зрения доступности, потому что он наименее дорогой, но все же дороже, чем графит. Как и графит, их можно использовать только в вакуумных условиях из -за их сильной аффинности связывания с кислородом и даже водородом и азотом. Они начинают окислять при температуре между приблизительно 300 и 500 градусами.

Положительные материалы коэффициента температуры (PTC)
Типичный материал PTC - это резина, но также возможна керамика. Резина PTC изготовлен из полидиметилсилоксана (PDMS) и углеродных наночастиц. Нагреватели PTC имеют уникальную характеристику: они поддерживают или ограничивают поток тока за счет повышения их сопротивления при повышении температуры. Это делает их безопасными и подходящими для таких приложений, как постоянная температура и интеллектуальное контроль температуры в одежде и медицинских устройствах. Первоначально нагреватель потребляет всю мощность и нагревается из -за удельного сопротивления. По мере того, как накапливается тепло, сопротивление материала увеличивается, выступая в качестве изолятора. Это достигается без необходимости какого -либо петли обратной связи.

Типы элементов отопления
Один элемент отопления не содержит всю систему отопления. В дополнение к нагревающему элементу, нагреватель также включает в себя терминалы, провода, изоляцию, наполнитель, оболочку и уплотнения. Эти нагреватели бывают разных форм и конфигураций в соответствии с конкретными приложениями. В следующем перечислены наиболее распространенные обогреватели и их приложения.

Нагреватели воздушного процесса: Как следует из названия, этот тип обогревателя используется для теплового потока воздуха. Нагреватель воздушного процесса, по сути, представляет собой нагретую трубку или проток с одним концом для потребления прохладного воздуха, а другой для выхода горячего воздуха. Вдоль стенки воздуховода находятся катушки нагревательных элементов, изолированных керамикой и не - проводящими прокладками. Они обычно используются в High - Flow, Low - приложения давления. Применение для нагревателей воздушных процессов включает в себя сокращение тепла, ламинирование, активацию или отверждение, сушки и выпечку.

Нагреватели картриджа: в этом типе нагревателя проволока сопротивления намотана вокруг керамического ядра, обычно изготовленного из уплотненного оксида магния. Также доступны прямоугольные конфигурации, в которых катушки проволоки сопротивления проходят три -пять раз по длине картриджа. Провод сопротивления, или нагревательный элемент, расположен вблизи стенки материала оболочки, чтобы максимизировать теплообмен. Чтобы защитить внутренние компоненты, оболочка обычно изготовлена ​​из коррозии -, такого как нержавеющая сталь. Ведущие, как правило, гибкие, с обоими терминалами, расположенными на одном конце картриджа. Нагреватели картриджа используются для нагрева плесени, нагрева жидкости (погружения) и поверхностного нагрева.

Трубчатые обогреватели: трубчатые нагреватели имеют ту же внутреннюю структуру, что и картриджные обогреватели. Основное отличие от нагревателей картриджа заключается в том, что ведущие клеммы расположены на каждом конце трубки. Вся трубчатая структура может быть согнута в различные формы в соответствии с желаемым тепловым распределением пространства или поверхности для нагрева. Кроме того, эти обогреватели могут иметь плавники, механически связанные с поверхностью оболочки, чтобы помочь в эффективной теплопередаче. Трубчатые обогреватели столь же универсальны, как и картриджные обогреватели и используются в аналогичных приложениях.

Полосы: эти обогреватели предназначены для обертывания цилиндрических металлических поверхностей или сосудов, таких как трубы, бочки, барабаны и экструдеры. Они оснащены болтом - на фиксирующих вкладках, которые надежно закрепляют поверхность сосуда. Нагреватель представляет собой тонкий, резистивный проволока или лента, обычно изолированная с слюдой. Оболочка изготовлена ​​из нержавеющей стали или латуни. Еще одним преимуществом использования полосового нагревателя является то, что он косвенно нагревает жидкость в сосуде. Это означает, что нагреватель не подвержен какой -либо химической атаке из процесса жидкости. Это также предотвращает потенциальные пожары при использовании в нефтяной и смазочной службе.

Полосные обогреватели: эти обогреватели плоские, прямоугольные и прикреплены к поверхности для нагрева. Их внутренняя конструкция аналогична конструкции на обогревателе. Тем не менее, изоляционный материал, в дополнение к слюне, может быть керамическим, таким как оксид магния и стекловолокно. Типичными применениями для полосовых обогревателей являются поверхностное нагрев для форм, умираний, пластин, резервуаров, труб и тому подобного. В дополнение к поверхностному нагреванию, их также можно использовать для нагрева воздуха или жидкости, имея оребренную поверхность. Померяемые обогреватели встречаются в духах и обогревателях.

Обогреватели с травлениями: нагреватели с травлением фольги также называются Thin - нагреватели пленки. В этом типе резистивный нагревательный материал запечатлевается и связывается с фольгой, обычно изготовленным из алюминия. Если требуется большая гибкость и сопротивление разрывам, подложка также может быть изготовлен из тепла -, устойчивого к синтетическому каунзийту или термопластичному полиуретану (TPU). Общие гибкие обогреватели, такие как нагревательница домашних животных, нагревательница FPC и силиконовые обогреватели, часто используют трафарнированные нагреватели фольги. Помимо гибкости, другим преимуществом является плотное расстояние нагревательных элементов, присущее фотохимическому травлению. Даже в таком небольшом форм -факторе может быть достигнуто распределение тепла с большей тепловой плотностью. По сравнению с традиционными проволочными обогревателями, его приложения более специализированы. Обогреватели с травлениями фольги обычно используются в медицинских устройствах, электронике и инструментах, аэрокосмической промышленности и одежде. Одна сторона может быть выложена с помощью клейкого слоя для легкой установки.

Керамические обогреватели: эти нагреватели используют керамику с высокой точкой плавления, высокой тепловой стабильностью, высокой - прочностью температуры, высокой относительной химической инертностью и низкой теплоемкостью. Обратите внимание, что это отличается от керамики, используемой в качестве изоляционных материалов. Из -за их превосходной теплопроводности, они используются для проведения и распределения тепла от нагревательного элемента. Примечательные керамические обогреватели включают нитрид кремния и нитрид алюминия. Они часто используются для быстрого отопления, как видно в заглушках и зажиганиях Glow. Однако, когда подвергается быстрому, высокому - температурным нагреванию и циклах охлаждения, материал подвержен трещину из -за усталости, вызванной тепловым напряжением. Специальный тип керамического обогревателя - PTC Ceramic. Этот тип Self - регулирует его потребление власти, препятствуя тому, что он станет красным горячим.

Нагреватель керамического волокна: в этом типе нагревателя керамическое волокно действует как изолятор, концентрируя тепло на поверхности, чтобы нагревать, чтобы предотвратить потери системы. Провод сопротивления намотана вокруг одной стороны керамического волоконного коврика. Эта сторона связана с поверхностью, которая может быть нагрета до 1200 градусов.

Заключение:
Нагревательный элемент - это материал или устройство, которое преобразует электрическую энергию непосредственно в тепловую или тепловую энергию по принципу, известному как нагрева джоуля.
Наиболее важными свойствами нагревательного элемента являются адекватное удельное сопротивление, высокая устойчивость к окислению, низкий температурный коэффициент сопротивления, высокая вязкость и высокая температура плавления.
Обычно используемые элементы нагрева включают никель - сплавы хрома, железо - хрома - алюминиевых сплавов, дилицид молибдена и карбид кремния. Графит и другие рефрактерные металлы, которые обычно имеют высокие скорости окисления, также популярны.
В дополнение к нагревающему элементу, нагреватель также включает в себя терминалы, провода, изоляцию, наполнители, оболочки и уплотнения. Эти нагреватели бывают разных форм и конфигураций в соответствии с конкретными приложениями.
Типичные спецификации упорядочения нагревателя включают мощность или мощность, максимальную рабочую температуру, тип жидкости процесса, материал оболочки и источник питания (напряжение и частота).