Нагревательный элемент

редактировать

Устройство, преобразующее электричество в тепло

Символ нагревательного змеевика или нагревательного элемента

Некоторые другие символы, используемые для нагревательных змеевиков или нагревательных элементов

A нагревательный элемент преобразуют электрическую энергию в тепло грубый процесс Джоулева нагрева. Электрический ток через элемент встречает сопротивление , что приводит к нагреванию элемента. В отличие от эффекта Пельтье, этот процесс не зависит от направления тока.

Содержание

1 Типы нагревательных элементов
- 1.1 Металл
- 1.2 Керамика и полупроводник
- 1.3 Толстопленочные нагреватели
- 1.4 Полимерные нагревательные элементы PTC
- 1.5 Жидкие
2 Композитные нагревательные элементы
3 Комбинированные системы нагревательных элементов
4 См. Также
5 Ссылки

Типы нагревательных элементов

Трубчатый электронагреватель

Гнутый трубчатый нагревательный элемент из кофемашины эспрессо

Спиральный нагревательный элемент электрического тостера

Металл

Резистивная проволока: Металлические резистивные нагревательные элементы могут быть проволочными или ленточными, прямыми или спиральными. Они используются в обычных нагревательных устройствах, таких как тостеры и фены, печи для промышленного отопления, подогрев полов, обогрев крыш, обогрев дорожек для таяния снега, сушилки и т. Д. используемых материалов:

нихром : в большинстве проволочных нагревательных элементов сопротивления используется нихромовая проволока 80/20 (80% никель, 20% хром ), лента или полоса.. Нихром 80/20 - идеальный материал, поскольку он имеет относительно высокое сопротивление и образует липкий слой из оксида хрома при первом нагревании. Материал под этим слоем не окисляется, предотвращая поломку или выгорание проволоки.
Проволока Kanthal (FeCrAl)
Купроникелевые сплавы (CuNi) для низкотемпературного нагрева
Травление фольга: элементы из фольги с гравировкой обычно изготавливаются из тех же сплавов, что и элементы из проволоки сопротивления, но производятся методом вычитания, который начинается с непрерывного листа металлической фольги и заканчивается сложной структурой сопротивления. Эти элементы обычно используются в системах прецизионного нагрева, таких как медицинская диагностика и аэрокосмическая промышленность.

Керамика и полупроводники

Дисилицид молибдена (MoSi 2) интерметаллическое соединение, силицид молибдена, представляет собой огнеупорная керамика в основном используется в нагревательных элементах. Он имеет умеренную плотность, температуру плавления 2030 ° C (3686 ° F) и является электропроводным. При высоких температурах он образует пассивирующий слой диоксида кремния, защищающий его от дальнейшего окисления. Область применения: стекольная промышленность и полупроводниковые диффузионные печи.
карбид кремния, см. карбид кремния § нагревательные элементы
нитрид кремния, см. нитрид кремния в автомобильной промышленности. Запальники нового поколения для газовых топок и свечи накаливания дизельных двигателей изготовлены из нитрида кремния. Такой нагревательный элемент или свеча накаливания достигают максимальной температуры 1400 ° C и быстро воспламеняют газ, дизельное топливо или керосин.
керамические элементы PTC: материалы PTC керамические названы по их положительному термическому коэффициенту сопротивления (т.е. сопротивление увеличивается при нагревании). Хотя большинство керамических материалов имеет отрицательный коэффициент, эти материалы (часто композиты титанат бария и титанат свинца ) обладают сильно нелинейным тепловым откликом, так что выше пороговой температуры, зависящей от состава, их сопротивление увеличивается. быстро. Такое поведение заставляет материал действовать как собственный термостат, поскольку ток проходит, когда он холодный, и не проходит, когда он горячий. Тонкие пленки из этого материала используются в обогревателях оттаивания заднего стекла автомобилей, а элементы в форме сот используются в более дорогих фенах, обогревателях и т. Д. современная печь на пеллетах. Такой нагревательный элемент может достигать температуры 950-1000 ° C, и его хвалят за высокую температуру и стабильность.
Кварцевые галогенные нагреватели также используются для обеспечения Лучистое нагревание и охлаждение.

Толстопленочные нагреватели

Толстопленочные нагреватели, напечатанные на листе слюды.

Толстопленочные нагреватели - это тип резистивного нагревателя, который можно печатать на тонкой подложке. Толстопленочные нагреватели обладают различными преимуществами по сравнению с традиционными резистивными элементами в металлической оболочке. Как правило, толстопленочные элементы характеризуются низким форм-фактором, улучшенной однородностью температуры, быстрым тепловым откликом из-за низкой тепловой массы, низким потреблением энергии, высокой удельной мощностью и широким диапазоном совместимости по напряжению. Обычно толстопленочные нагреватели печатают на плоских подложках, а также на трубках с различными рисунками нагревателей. Эти нагреватели могут достигать удельной мощности 100 Вт / см в зависимости от условий теплопередачи. Шаблоны толстопленочного нагревателя легко настраиваются на основе сопротивления листа напечатанной пасты резистора.

Эти нагреватели могут быть напечатаны на различных подложках, включая металл, керамику, стекло, полимер, с использованием толстопленочных паст, содержащих металл / сплав. Наиболее распространенными подложками, используемыми для печати толстопленочных нагревателей, являются алюминий 6061-T6, нержавеющая сталь и листы мусковита или флогопита слюды. Области применения и рабочие характеристики этих нагревателей широко варьируются в зависимости от выбранных материалов подложки. В первую очередь это связано с тепловыми характеристиками подложки нагревателя.

Есть несколько обычных применений толстопленочных нагревателей. Их можно использовать в сковородках, вафельницах, электрическом обогреве плит, увлажнителях, чайниках, термосварочных устройствах, водонагревателях, отпаривателях для утюгов и тканей, выпрямителях для волос, бойлерах, кроватях с подогревом для 3D-принтеров, термопечати, клеевых пистолетах, лабораторное обогревательное оборудование, сушилки для одежды, обогреватели плинтусов, противообледенительные или противотуманные устройства, подогреватели, боковые зеркала автомобиля, оттаивание холодильника, теплообменники и т. д.

Для большинства применений тепловые характеристики и распределение температуры - это два основные параметры конструкции. Чтобы избежать появления горячих точек и поддерживать равномерное распределение температуры по подложке, конструкция схемы может быть оптимизирована путем изменения локальной плотности мощности схемы резистора. Оптимизированная конструкция нагревателя помогает контролировать мощность нагревателя и модулировать локальные температуры на подложке нагревателя. В случаях, когда требуется наличие 2 или более зон нагрева с различной выходной мощностью на относительно небольшой площади, может быть разработан толстопленочный нагреватель для достижения зонального рисунка нагрева на одной подложке.

Толстопленочные нагреватели в основном можно охарактеризовать по двум подкатегориям: отрицательный температурный коэффициент (NTC) или положительный температурный коэффициент (PTC), основанный на влиянии повышения температуры на сопротивление элемента. Нагреватели типа NTC характеризуются уменьшением сопротивления при повышении температуры нагревателя и, таким образом, имеют более высокую выходную мощность при более высоких температурах для данного входного напряжения. Нагреватели PTC ведут себя противоположным образом с увеличением сопротивления и уменьшением мощности нагревателя при повышенных температурах. Эта характеристика нагревателей PTC также делает их саморегулирующимися, поскольку их выходная мощность достигает насыщения при фиксированной температуре. С другой стороны, нагреватели типа NTC обычно требуют термостата или термопары для контроля разгона нагревателя. Эти нагреватели используются в приложениях, где требуется быстрое повышение температуры нагревателя до заданного значения, поскольку они обычно действуют быстрее, чем нагреватели типа PTC.

Толстопленочный нагреватель, напечатанный на металлической подложке

Полимерные нагревательные элементы PTC

Гибкий нагреватель PTC из проводящей резины

Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из токопроводящих материалов PTC Rubber, где удельное сопротивление экспоненциально увеличивается с повышением температуры. Такой нагреватель будет производить большую мощность в холодное время года и быстро нагреваться до постоянной температуры. Из-за экспоненциально увеличивающегося удельного сопротивления нагреватель никогда не сможет нагреться до температуры выше этой. Выше этой температуры резина действует как электрический изолятор. Температуру можно выбрать во время производства резины. Обычно температура составляет от 0 до 80 ° C (от 32 до 176 ° F).

Это точечный саморегулирующийся нагреватель и саморегулирующийся нагреватель. Саморегулирование означает, что каждая точка нагревателя независимо поддерживает постоянную температуру без необходимости использования регулирующей электроники. Саморегулирующийся означает, что нагреватель никогда не может превышать определенную температуру в любой точке и не требует защиты от перегрева.

Жидкость

Electrode_boiler

Композитные нагревательные элементы

Трубчатый нагревательный элемент печи

Трубчатые (в оболочке) элементы обычно представляют собой тонкую катушку из проволоки из резистивного нагревательного сплава из нихрома (NiCr), которая расположена в металлической трубке (из меди или сплавов нержавеющей стали, таких как Incoloy ) и изолированной порошком оксида магния. Чтобы влага не попадала в гигроскопический изолятор , на его концах наносятся валики из изоляционного материала, такого как керамика или силиконовая резина, или их комбинация. Трубку протягивают через фильеру для сжатия порошка и максимальной теплопередачи. Это может быть прямой стержень (как в тостерах ) или изогнутый до формы, охватывающей нагреваемую область (например, в электрических плитах, духовках, и кофеварки ).
Металлокерамические дорожки с трафаретной печатью, нанесенные на керамические изолированные металлические (обычно стальные) пластины, с середины 1990-х годов нашли широкое применение в качестве элементов в чайниках и других бытовых приборах.
Излучающие нагревательные элементы (нагревательные лампы): мощная лампа накаливания обычно работает с мощностью меньше максимальной, чтобы излучать в основном инфракрасный вместо видимого света. Обычно они встречаются в излучающих обогревателях и подогревателях пищи, имеющих либо длинную трубчатую форму, либо форму лампы-рефлектора R40. Лампа с отражателем часто окрашивается в красный цвет, чтобы минимизировать излучаемый видимый свет; трубчатая форма бывает другой форматы:
- с золотым покрытием - прославлен запатентованной лампой Phillips Helen. Золотая дихроичная пленка нанесена на внутреннюю часть, что уменьшает видимость свет и пропускает большую часть коротких и средних волн инфракрасного излучения. В основном для обогрева людей. Сейчас эти лампы производятся рядом производителей, и они постоянно совершенствуются.
- Рубиновое покрытие - та же функция, что и лампы с золотым покрытием, но за небольшую часть стоимости. Видимые блики намного выше, чем у золотого варианта.
- Прозрачный - без покрытия и в основном используется в производственных процессах.
В съемных керамических сердечниковых элементах используется спиральная проволока из термостойкого сплава, пропущенная через один или несколько цилиндрических керамических сегментов для изготовления необходимой длины (в зависимости от производительности) с центральным стержнем или без него. Вставленный в металлическую оболочку или герметичную трубку с одного конца, этот тип элемента позволяет заменять или ремонтировать без нарушения процесса, обычно нагрева жидкости под давлением.

Системы комбинированных нагревательных элементов

Нагревательные элементы для высоких температур печи часто изготавливаются из экзотических материалов, включая платину, дисилицид вольфрама / дисилицид молибдена, молибден (вакуумные печи ) и карбид кремния. Воспламенители из карбида кремния широко используются в газовых печах. Лазерные нагреватели также используются для достижения высоких температур.