Element de încălzire Element de încălzire electrică încălzitor de producție de bază de producție

Ce sunt elementele de încălzire? Cum funcționează încălzitoarele electrice? Ce tipuri de produse sunt disponibile? Ce tipuri de materiale de încălzire sunt disponibile? O imagine de ansamblu cuprinzătoare a elementelor de bază ale elementelor de încălzire.

1. Ce sunt elementele de încălzire?
Un element de încălzire este un material sau un dispozitiv care transformă energia electrică direct în căldură sau energie termică printr -un principiu cunoscut sub numele de încălzire Joule. Încălzirea Joule este fenomenul în care un conductor generează căldură datorită fluxului de curent electric. Când curentul curge printr -un material, electronii sau alți purtători de încărcare se ciocnesc cu ionii sau atomii conductorului, generând frecare la scara atomică. Această frecare se manifestă apoi ca căldură. Prima lege a lui Joule (Legea Joule - Lenz) descrie căldura generată de curent într -un conductor. Este exprimat ca:

P=iv sau p=i²r

Conform acestor ecuații, cantitatea de căldură generată depinde de curentul, tensiunea sau rezistența materialului conductor. Rezistența este un factor cheie în proiectarea unui element de încălzire.

Încălzirea Joule este evidentă în toate materialele conductoare cu puncte forte diferite, cu excepția unei clase speciale de materiale cunoscute sub numele de superconductori. În general, materialele conductoare generează mai puțină căldură, deoarece purtătorii de încărcare curg ușor prin ele, în timp ce materialele cu rezistență ridicată generează mai multă căldură. Pe de altă parte, superconductorii permit curgerea curentului fără a genera căldură. În general, căldura de la un conductor este considerată pierderea de energie. Energia electrică folosită pentru alimentarea unui dispozitiv generează căldură inutilă sub formă de pierderi de transmisie, producând în cele din urmă nicio lucrare utilă.

Într -un anumit sens, elementele de încălzire electrică sunt aproape 100% eficiente, deoarece toată energia furnizată este transformată în forma prevăzută. Elementele de încălzire nu pot efectua numai căldură, ci și transferul energiei prin lumină și radiații. Cu toate acestea, acest lucru se aplică numai rezistențelor parțial ideale. Capacitatea inerentă și inductanța materialului transformă energia electrică în câmpuri electrice și, respectiv, magnetice, rezultând pierderi minore. Având în vedere întregul sistem de încălzire, pierderile provin din căldură disipate de la lichidul procesului sau de la încălzitorul în sine până la mediul extern. Prin urmare, sistemul trebuie izolat pentru a utiliza toată căldura generată.

Ii. Proprietăți ale elementului de încălzire
Aproape toți conductorii generează căldură atunci când curentul curge prin ei. Cu toate acestea, nu toți conductorii sunt potriviți pentru utilizare ca elemente de încălzire. Este necesară combinația potrivită de proprietăți electrice, mecanice și chimice. Următoarele proprietăți sunt importante în proiectarea elementelor de încălzire.

Rezistivitate: pentru a genera căldură, un element de încălzire trebuie să aibă suficientă rezistență electrică. Cu toate acestea, rezistența nu poate fi atât de mare încât devine izolator. Rezistența este egală cu rezistivitatea înmulțită cu lungimea conductorului împărțită prin secțiunea Conductor Cross -. Pentru o secțiune Cruce dată -, pentru a obține un conductor mai scurt, folosiți un material cu o rezistivitate mai mare.

Rezistența la oxidare: căldura accelerează de obicei oxidarea în metale și ceramică. Oxidarea poate consuma elementul de încălzire, reducându -și capacitatea sau dăunând structurii sale. Acest lucru limitează viața elementului de încălzire. Pentru elementele de încălzire a metalelor, aliajarea cu oxidul ajută la rezistență la oxidare prin formarea unui strat de pasivare. Pentru elemente de încălzire ceramică, este cea mai frecventă oxidare anti -protecție anti -} cu sio₂ sau al₂o₃. Tipurile de elemente de încălzire improprii pentru utilizare în mediile de oxidare, cum ar fi grafitul, sunt utilizate cel mai frecvent în cuptoarele sau cuptoarele cu vid cu gaze atmosferă non - oxidare oxidantă (cum ar fi h₂, n₂, ar, sau el), unde nu există aer în camera de încălzire.
Coeficientul de temperatură de rezistență: Rețineți cum se schimbă rezistivitatea unui material cu temperatura. În majoritatea conductorilor, pe măsură ce temperatura crește, rezistența crește și ea. Acest fenomen afectează unele materiale mai semnificativ decât altele. Un TCR mai mare este utilizat în principal în aplicații sensibile la căldură -. Pentru generarea de căldură, în general este preferată o valoare mai mică. În timp ce schimbarea rezistenței poate fi prezisă cu exactitate în unele cazuri, este necesară o creștere dramatică a rezistenței pentru a oferi mai multă putere. Pentru a adapta sistemul la schimbarea rezistivității, este utilizat un sistem de control sau feedback.

Proprietăți mecanice: elemente de încălzire rigide se deformează atunci când sunt utilizate la temperaturi ridicate. Pe măsură ce un material se apropie de starea sa topită sau recristalizată, acesta slăbește și se deformează mai ușor decât la temperatura camerei. Un element bun de încălzire își menține forma chiar și la temperaturi ridicate. Ductilitatea, pe de altă parte, este o proprietate mecanică dezirabilă, în special pentru elementele de încălzire a metalelor. Ductabilitatea permite traseul materialului în sârmă și modelat fără a -i compromite rezistența la tracțiune.
Punctul de topire: Pe lângă temperatura la care crește semnificativ oxidarea, punctul de topire al unui material își limitează și temperatura de funcționare. Ceramica are de obicei puncte de topire mai mari decât încălzitoarele metalice.

Materiale cu element de încălzire

Proprietățile materialului elementului de încălzire restrâng selecția la câteva materiale. Cele mai frecvente sunt aliajele de crom de nichel -}, crom de fier - {- aliaje de aluminiu, silicid de molibden și carbură de siliciu. Aceste materiale pot funcționa la temperaturi ridicate, deoarece rezistă la oxidare la temperaturi ridicate. Un alt grup este format din grafit, molibden, tungsten și tantal. Aceste materiale se oxidează la temperaturi ridicate și sunt adesea utilizate în medii de vid sau cuptoare cu un oxigen - atmosferă liberă.

Nichel - Chromium (Ni - Cr) aliaj
Acest tip de element de încălzire este unul dintre cele mai utilizate materiale datorită ductilității sale, rezistivității ridicate și rezistenței la oxidare chiar și la temperaturi ridicate. Cea mai frecventă compoziție a aliajului Ni - Cr este 80/20, sau 80% nichel și 20% crom. Alte compoziții variază în funcție de producător. Datorită ductilității sale ridicate, este adesea atrasă în sârmă atunci când este utilizat ca element de încălzire. O aplicație comună care prezintă această caracteristică este HOT - tăietoare de spumă de sârmă. Temperatura maximă de încălzire a firului Ni - CR este de aproximativ 1.100 până la 1.200 grade.

Iron - Chromium - aluminiu (Fe - Cr - al) aliaj
Acest tip de Feritic Fe - Cr - Al Aliaj are de obicei o compoziție chimică de 20% până la 24% crom, 4 - 6% aluminiu și fier ca sold. Comparativ cu Ni - Cr, Fe - Cr - încălzitorii sunt flexibili și mai ușor. De asemenea, pot genera temperaturi mai ridicate decât Ni - Cr sârmă, aproximativ 1.300 până la 1.400 grade. Datorită metalului său de bază de fier, prețul acestui aliaj fluctuează mai puțin decât Ni - Cr, care este compus în principal din nichel. Un dezavantaj al utilizării aliajelor Fe -} Cr-al este puterea lor redusă la temperaturi mai ridicate.

Fe - Cr - aliaje Al pot fi fabricate mai eficient printr -un proces cunoscut sub numele de metalurgie pulbere. În acest proces, un lingou al aliajului este redus la o pulbere și compactat într -o matriță. Este apoi sinterizată sau fierbinte - apăsată (presare izostatică fierbinte) într -o temperatură - atmosferă controlată pentru a crea o legătură metalurgică fără a topi complet metalul pulbere. Dispersanții sunt adăugați la amestecul de aliaj pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale materialului, oferind o rezistență suplimentară și o duritate la temperaturi mai ridicate.

Molibden disilicid (mosi₂)
Molibdenum Disilicid este un cermet refractar (ceramică - compozit metalic) utilizat în principal ca material cu element de încălzire. Datorită punctului său de topire ridicat și rezistenței la coroziune bună, este un material ideal pentru cuptoarele de temperatură ridicate -. Elementele de încălzire MOSI₂ sunt produse prin diferite energii - procese intensive, inclusiv aliere mecanică, sinteză de combustie, sinteză de impact și presare izostatică fierbinte.

Încălzitoarele Mosi₂ pot obține temperaturi de încălzire de până la 1.900 grad. Dezavantajele utilizării silicidului de molibden sunt duritatea scăzută în condiții ambientale și tendința sa de a se strecura la temperaturi ridicate. Este fragilă la temperatura camerei și necesită îngrijire extremă în manipulare. O duritate mai mare este obținută la fragilă - la - temperatura de tranziție ductilă, în jur de 1.000 de grade. Pe de altă parte, rata de fluaj mai mare poate determina ca elementul de încălzire să se deformeze cu ușurință la temperaturi ridicate. Cel mai obișnuit tip de element MOSI2 este un design de două {-}}, de obicei suspendat de pe acoperișul cuptorului și poziționat în jurul pereților cuptorului. Alte forme sunt adesea combinate cu formatori de izolare ceramică ca un pachet integrat pentru a oferi suport mecanic și izolare termică.

Carbură de siliciu (sic)
Aceasta este o ceramică produsă prin recristalizarea sau legarea de reacție a boabelor sic la temperaturi peste 2.100 grade. Elementele de încălzire a carburii de siliciu sunt poroase (de obicei 8 - 25%), permițând atmosfera cuptorului să reacționeze prin secțiunea transversală a materialului. Întregul element de încălzire se poate oxida treptat, determinând creșterea proprietăților sale rezistive în timp (denumită în mod obișnuit „îmbătrânire”). O sursă de alimentare cu tensiune variabilă este adesea necesară pentru a crește treptat tensiunea elementului pe durata de viață a serviciului său, menținând treptat puterea necesară. Această îmbătrânire limitează în cele din urmă durata de viață și performanța elementului de încălzire.

Carbura de siliciu are multe proprietăți care o fac potrivită pentru fabricarea elementelor de încălzire adecvate pentru temperaturi de funcționare extrem de ridicate. Această ceramică nu are fază lichidă. Acest lucru înseamnă că elementul nu se va scăpa sau nu se va deforma din cauza fluajului la nicio temperatură și nu este necesar un suport în cadrul cuptorului. Carbura de siliciu sublimată direct la aproximativ 2.700 grad. Mai mult, este inert chimic pentru majoritatea lichidelor de procesare și are o rigiditate ridicată și un coeficient scăzut de expansiune termică. Încălzitoarele din carbură de siliciu pot atinge temperaturi de încălzire de aproximativ 1.600 până la 1.700 grad.

Grafit
Grafitul este un mineral compus din carbon, în care atomii sunt aranjați într -o structură hexagonală. Acest mineral, de asemenea, în forma sa sintetică, este un conductor excelent de căldură și electricitate. Grafitul poate genera căldură la temperaturi care depășesc 2.000 de grade. La temperaturi ridicate, rezistența sa electrică crește semnificativ. Mai mult, poate rezista la șocul termic și nu devine fragil chiar și după încălzirea rapidă și ciclurile de răcire. Principalul dezavantaj al utilizării grafitului este tendința sa de oxidare la temperaturi în jur de 500 de grade. Utilizarea continuă în acest interval va duce în cele din urmă la epuizarea materialelor. Elementele de încălzire a grafitului sunt adesea utilizate în cuptoarele de vid, unde oxigenul și alte gaze sunt evacuate de camera de încălzire. Această epuizare a oxigenului previne oxidarea nu numai a metalului topit, ci și a elementului de încălzire în sine. Grafitul poate fi utilizat în etanșarea filmului pentru a crea încălzitoare de film subțiri -, cum ar fi filme de încălzire a cristalelor de carbon și filme de încălzire a grafenului.

Molibden, tungsten și tantal
Când sunt utilizate ca elemente de încălzire, acestea sunt metale refractare cu proprietăți similare cu grafitul. Dintre aceste metale, tungstenul are cea mai mare temperatură de funcționare, dar este, de asemenea, mai scump. Molybdenum este mai popular din punct de vedere al disponibilității, deoarece este cel mai puțin costisitor, dar totuși mai scump decât grafitul. Ca și grafitul, ele pot fi utilizate doar în condiții de vid datorită afinității lor puternice de legare cu oxigen și chiar hidrogen și azot. Încep să se oxideze la temperaturi între aproximativ 300 și 500 grade.

Materiale coeficient de temperatură pozitivă (PTC)
Materialul tipic PTC este cauciuc, dar sunt posibile și ceramica. Cauciucul PTC este confecționat din polidimetilsiloxan (PDMS) și nanoparticule de carbon. Încălzitoarele PTC au o caracteristică unică: mențin sau limitează fluxul de curent prin creșterea rezistenței lor pe măsură ce temperatura crește. Acest lucru le face sigure și potrivite pentru aplicații precum temperatura constantă și controlul inteligent al temperaturii în îmbrăcăminte și dispozitive medicale. Inițial, încălzitorul consumă toată puterea și se încălzește datorită rezistivității sale. Pe măsură ce căldura se construiește, rezistența materialului crește, acționând ca un izolator. Acest lucru este obținut fără a fi nevoie de vreo buclă de feedback.

Tipuri de elemente de încălzire
Un element de încălzire singur nu cuprinde întregul sistem de încălzire. În plus față de elementul de încălzire, un încălzitor include și terminale, plumburi, izolare, umplutură, înveliș și sigilii. Aceste încălzitoare vin sub diferite forme și configurații pentru a se potrivi aplicațiilor specifice. Următoarele listează cele mai frecvente încălzitoare și aplicațiile lor.

Încălzitoare de proces de aer: După cum sugerează și numele, acest tip de încălzitor este utilizat pentru a încălzi aerul care curge. Un încălzitor de proces de aer este, în esență, un tub sau o conductă încălzită cu un capăt pentru aportul de aer rece și celălalt pentru ieșirea de aer cald. De -a lungul peretelui conductei sunt bobine de elemente de încălzire izolate de ceramică și garnituri conductive -. Acestea sunt de obicei utilizate în fluxul ridicat -, aplicații presiuni -}. Aplicațiile pentru încălzitoarele de proces de aer includ micșorarea căldurii, laminarea, activarea adezivă sau întărirea, uscarea și coacerea.

Încălzitoare de cartuș: în acest tip de încălzitor, un fir de rezistență este înfășurat în jurul unui miez ceramic, fabricat de obicei din oxid de magneziu compactat. Sunt disponibile și configurații dreptunghiulare, în care bobinele de sârmă de rezistență trec de trei până la cinci ori pe lungimea cartușului. Firul de rezistență sau elementul de încălzire este situat lângă peretele materialului tecii pentru a maximiza transferul de căldură. Pentru a proteja componentele interne, teaca este de obicei fabricată dintr -o coroziune - material rezistent, cum ar fi oțelul inoxidabil. Plumburile sunt de obicei flexibile, cu ambele terminale situate la un capăt al cartușului. Încălzitoarele de cartuș sunt utilizate pentru încălzirea mucegaiului, încălzirea fluidelor (încălzitoare de imersiune) și încălzirea la suprafață.

Încălzitoare tubulare: Încălzitoarele tubulare au aceeași structură internă ca încălzitoarele de cartuș. Principala diferență față de încălzitoarele de cartuș este că bornele de plumb sunt localizate la fiecare capăt al tubului. Întreaga structură tubulară poate fi îndoită în diferite forme pentru a se potrivi distribuției de căldură dorită a spațiului sau a suprafeței pentru a fi încălzită. În plus, aceste încălzitoare pot avea aripioare legate mecanic de suprafața tecii pentru a ajuta la transferul eficient de căldură. Încălzitoarele tubulare sunt la fel de versatile ca încălzitoarele de cartuș și sunt utilizate în aplicații similare.

Încălzitoare de bandă: Aceste încălzitoare sunt concepute pentru a se înfășura în jurul suprafețelor sau vaselor metalice cilindrice, cum ar fi conducte, butoaie, tobe și extrudere. Acestea prezintă Bolt - pe filele de blocare care se fixează în siguranță pe suprafața vasului. Încălzitorul este un fir subțire, rezistiv sau panglică, de obicei izolat cu mica. Teaca este confecționată din oțel inoxidabil sau alamă. Un alt avantaj al utilizării unui încălzitor de bandă este că încălzește indirect lichidul din vas. Aceasta înseamnă că încălzitorul nu este supus niciunui atac chimic din cauza lichidului procesului. Acest lucru împiedică, de asemenea, incendiile potențiale atunci când sunt utilizate în serviciul de ulei și lubrifiant.

Încălzitoare de benzi: aceste încălzitoare sunt plate, dreptunghiulare și fixate la suprafață pentru a fi încălzite. Construcția lor internă este similară cu cea a unui încălzitor de bandă. Cu toate acestea, materialul de izolație, pe lângă mica, poate fi ceramică, cum ar fi oxidul de magneziu și fibra de sticlă. Utilizările tipice pentru încălzitoarele cu bandă sunt încălzirea la suprafață pentru matrițe, matrițe, platouri, rezervoare, conducte și altele asemenea. În plus față de încălzirea la suprafață, acestea pot fi utilizate și pentru încălzirea aerului sau a fluidului, având o suprafață însorită. Încălzitoarele cu finii se găsesc în cuptoare și încălzitoare spațiale.

Încălzitoare de folie gravată: Încălzitoare de folie gravate sunt de asemenea numite încălzitoare de film subțiri -. În acest tip, materialul de încălzire rezistiv este gravat și legat de o folie, de obicei din aluminiu. Dacă este necesară o mai mare flexibilitate și o rezistență la lacrimă, substratul poate fi, de asemenea, făcut din căldură - cauciuc sintetic rezistent sau poliuretan termoplastic (TPU). Încălzitoarele flexibile comune, cum ar fi filmul de încălzire a animalelor de companie, filmul de încălzire FPC și încălzitoarele din silicon, folosesc adesea încălzitoare de folie gravate. Pe lângă flexibilitate, un alt avantaj este distanțarea strânsă a elementelor de încălzire, un avantaj inerent al gravurii fotochimice. Chiar și într -un factor de formă atât de mic, se poate obține distribuția căldurii cu o densitate de căldură mai mare. În comparație cu încălzitoarele tradiționale de sârmă, aplicațiile sale sunt mai specializate. Încălzitoarele de folie gravate sunt utilizate în mod obișnuit în dispozitive medicale, electronice și instrumente, aerospațiale și îmbrăcăminte. O parte poate fi căptușită cu un strat adeziv pentru o instalare ușoară.

Încălzitoare ceramică: aceste încălzitoare folosesc ceramică cu un punct de topire ridicat, stabilitate termică ridicată, ridicat - rezistență la temperatură, inerție chimică relativă ridicată și capacitate scăzută de căldură. Rețineți că acest lucru este diferit de ceramica utilizată ca materiale izolante. Datorită conductivității lor termice excelente, acestea sunt folosite pentru a efectua și distribui căldura din elementul de încălzire. Încălzitoarele ceramice notabile includ nitrură de siliciu și nitrură de aluminiu. Acestea sunt adesea utilizate pentru încălzirea rapidă, așa cum se vede în dopurile de strălucire și aprinderea. Cu toate acestea, atunci când este supus ciclurilor rapide, ridicate de încălzire și răcire a temperaturii -, materialul este susceptibil la fisură din cauza oboselii cauzate de tensiunea termică. Un tip special de încălzitor ceramic este PTC Ceramic. Acest tip self - își reglează consumul de energie, împiedicându -l să devină roșu fierbinte.

Încălzitor de fibre ceramice: În acest tip de încălzitor, fibra ceramică acționează ca un izolator, concentrând căldura pe suprafață pentru a fi încălzită pentru a preveni pierderile sistemului. Un fir de rezistență este înfășurat în jurul unei părți a covorașului din fibră ceramică. Această parte este legată de suprafață, care poate fi încălzită până la 1.200 grade.

Concluzie:
Un element de încălzire este un material sau un dispozitiv care transformă energia electrică direct în căldură sau energie termică printr -un principiu cunoscut sub numele de încălzire Joule.
Cele mai importante proprietăți ale elementului de încălzire sunt rezistivitatea adecvată, rezistența ridicată la oxidare, un coeficient de rezistență la temperatură scăzută, o duritate ridicată și un punct de topire ridicat.
Elementele de încălzire utilizate în mod obișnuit includ nichel - aliaje de crom, fier - Chromium - aliaje de aluminiu, disilicid de molibden și carbură de siliciu. Grafitul și alte metale refractare, care de obicei au rate mari de oxidare, sunt de asemenea populare.
În plus față de elementul de încălzire, un încălzitor include și terminale, cabluri, izolație, umpluturi, teci și sigilii. Aceste încălzitoare vin sub diferite forme și configurații pentru a se potrivi aplicațiilor specifice.
Specificațiile tipice de comandă a încălzitorului includ puterea sau puterea, temperatura maximă de funcționare, tipul de lichid de proces, materialul de teacă și sursa de alimentare (tensiune și frecvență).