Нагревательный элемент — это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в тепло, состоящее из нагревательного резистора и аксессуаров. [1] Тепло вырабатывается путем прохождения электрического тока через резистор в процессе, известном как джоулев нагрев . Нагревательные элементы используются в бытовых приборах, промышленном оборудовании и научных приборах, позволяя им выполнять такие задачи, как приготовление пищи, разогрев или поддержание определенных температур выше температуры окружающей среды.
Нагревательные элементы могут использоваться для передачи тепла посредством проводимости , конвекции или излучения . Они отличаются от устройств, которые генерируют тепло из электрической энергии посредством эффекта Пельтье , и не зависят от направления электрического тока.
Материалы, используемые в нагревательных элементах, имеют относительно высокое электрическое сопротивление , которое является мерой способности материала противостоять электрическому току. Электрическое сопротивление , которое будет иметь некоторое количество материала элемента, определяется законом Пуйе как где
Сопротивление на единицу длины провода (Ом/м) материала нагревательного элемента определяется стандартами ASTM и DIN. [2] : 2 [3] [4] В ASTM провода диаметром более 0,127 мм должны иметь допуск ±5% Ом/м, а для более тонких проводов — ±8% Ом/м.
Производительность нагревательного элемента часто количественно определяется путем характеристики плотности мощности элемента. Плотность мощности определяется как выходная мощность , P, нагревательного элемента, деленная на площадь нагреваемой поверхности , A, элемента. [5] В математических терминах это определяется как:
Плотность мощности является мерой теплового потока (обозначается Φ) и чаще всего выражается в ваттах на квадратный миллиметр или ваттах на квадратный дюйм .
Нагревательные элементы с низкой плотностью мощности, как правило, более дорогие, но имеют более длительный срок службы, чем нагревательные элементы с высокой плотностью мощности. [6]
В Соединенных Штатах плотность мощности часто называют «ваттной плотностью». Иногда ее также называют «поверхностной нагрузкой провода».
Резистивные провода — это очень длинные и тонкие резисторы, имеющие круглое поперечное сечение. Как и у проводника , диаметр резистивного провода часто измеряется с помощью системы калибров, например, American Wire Gauge (AWG) . [7]
Резистивные ленточные нагревательные элементы изготавливаются путем сплющивания круглой резистивной проволоки, придавая ей прямоугольное поперечное сечение со скругленными углами. [8] : 54 Обычно ширина ленты составляет от 0,3 до 4 мм. Если лента шире, она вырезается из более широкой полосы и может называться резистивной полосой . По сравнению с проволокой, лента может быть согнута с меньшим радиусом и может производить тепло быстрее и с меньшими затратами из-за большего отношения площади поверхности к объему. С другой стороны, срок службы ленты часто короче срока службы провода, а цена за единицу массы ленты, как правило, выше. [8] : 55 Во многих случаях резистивная лента наматывается вокруг слюдяной карты или на одну из ее сторон. [8] : 57
Катушка сопротивления — это провод сопротивления, имеющий спиральную форму. [8] : 100 Катушки наматываются очень плотно, а затем расслабляются до 10-кратной первоначальной длины при использовании. Катушки классифицируются по диаметру и шагу, или количеству катушек на единицу длины.
Изоляторы нагревательных элементов служат для электрической и тепловой изоляции резистивного нагревателя от окружающей среды и посторонних предметов. [9] Обычно для элементов, работающих при температуре выше 600 °C, используются керамические изоляторы. [8] : 137 Оксид алюминия , диоксид кремния и оксид магния — это соединения, обычно используемые в керамических изоляторах нагревательных элементов. Для более низких температур используется более широкий спектр материалов.
Электрические провода служат для подключения нагревательного элемента к источнику питания. Они обычно изготавливаются из проводящих материалов, таких как медь , которые не обладают такой высокой стойкостью к окислению, как активный материал сопротивления. [8] : 131–132
Клеммы нагревательного элемента служат для изоляции активного резистивного материала от проводов. Клеммы разработаны так, чтобы иметь более низкое сопротивление, чем активный материал, имея более низкое удельное сопротивление и/или больший диаметр. Они также могут иметь более низкую стойкость к окислению, чем активный материал. [8] : 131–132
Нагревательные элементы обычно классифицируются по одному из трех типов конструкций: подвесные, встроенные или поддерживаемые . [8] : 164–166
Трубчатые или оболоченные элементы (также называемые по их торговой марке Calrods® [10] ) обычно состоят из тонкой катушки из резистивной проволоки, окруженной электрическим изолятором и металлической трубчатой оболочкой или кожухом. Изоляция обычно представляет собой порошок оксида магния , а оболочка обычно изготавливается из медного или стального сплава. Чтобы не допустить попадания влаги в гигроскопичный изолятор, концы снабжены шариками из изоляционного материала, такого как керамика или силиконовая резина, или их комбинацией. Трубка протягивается через матрицу для сжатия порошка и максимизации теплопередачи. Они могут быть прямыми стержнями (как в тостерах ) или изогнутыми в форме, охватывающей область, которая должна быть нагрета (например, в электрических плитах , духовках и кофеварках ).
Металлокерамические дорожки, нанесенные методом трафаретной печати на металлические пластины с керамической изоляцией (обычно стальные), нашли широкое применение в качестве элементов в чайниках и других бытовых приборах с середины 1990-х годов.
Радиационные нагревательные элементы (тепловые лампы) — это мощные лампы накаливания , которые работают на мощности ниже максимальной и излучают в основном инфракрасный свет вместо видимого. Обычно они используются в лучистых обогревателях и подогревателях пищи, принимая либо длинную трубчатую форму, либо форму рефлекторной лампы R40 . Стиль рефлекторной лампы часто тонируется красным, чтобы минимизировать производимый видимый свет; трубчатая форма поставляется в разных форматах:
Съемные керамические сердечники используют спиральную проволоку из сплава нагрева сопротивления, продетую через один или несколько цилиндрических керамических сегментов для создания требуемой длины (относительно выхода), с центральным стержнем или без него. Вставленный в металлическую оболочку или трубку, запечатанную с одного конца, этот тип элемента позволяет производить замену или ремонт без нарушения соответствующего процесса, обычно нагрева жидкости под давлением.
Элементы из травленой фольги обычно изготавливаются из тех же сплавов, что и элементы из резистивной проволоки, но производятся с помощью процесса субтрактивного фототравления, который начинается с непрерывного листа металлической фольги и заканчивается сложным рисунком сопротивления. Эти элементы обычно встречаются в приложениях точного нагрева, таких как медицинская диагностика и аэрокосмическая промышленность.
Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из проводящих резиновых материалов PTC , где удельное сопротивление экспоненциально увеличивается с ростом температуры. [11] Такой нагреватель будет вырабатывать большую мощность, когда он холодный, и быстро нагреваться до постоянной температуры. Из-за экспоненциально увеличивающегося удельного сопротивления нагреватель никогда не сможет нагреться выше этой температуры. Выше этой температуры резина действует как электрический изолятор. Температуру можно выбрать во время производства резины. Типичные температуры составляют от 0 до 80 °C (от 32 до 176 °F).
Это точечный саморегулирующийся и самоограничивающийся нагреватель . Саморегулирование означает, что каждая точка нагревателя независимо поддерживает постоянную температуру без необходимости регулирующей электроники. Самоограничение означает, что нагреватель никогда не может превысить определенную температуру в любой точке и не требует защиты от перегрева.
Толстопленочные нагреватели — это тип резистивного нагревателя, который можно печатать на тонкой подложке. Толстопленочные нагреватели демонстрируют различные преимущества по сравнению с обычными резистивными элементами в металлической оболочке. В целом, толстопленочные элементы характеризуются своим низкопрофильным форм-фактором, улучшенной однородностью температуры, быстрым тепловым откликом из-за низкой тепловой массы, высокой плотностью энергии и широким диапазоном совместимости напряжения. Обычно толстопленочные нагреватели печатаются на плоских подложках, а также на трубках в различных моделях нагревателей. Эти нагреватели могут достигать плотности мощности до 100 Вт/см2 в зависимости от условий теплопередачи. [12] Модели толстопленочных нагревателей легко настраиваются на основе сопротивления слоя печатной пасты резистора.
Эти нагреватели можно печатать на различных подложках, включая металл, керамику, стекло и полимер, используя толстопленочные пасты с металлическим или сплавным наполнением. [12] Наиболее распространенными подложками, используемыми для печати толстопленочных нагревателей, являются алюминий 6061-T6, нержавеющая сталь и листы слюды мусковит или флогопит . Применение и эксплуатационные характеристики этих нагревателей сильно различаются в зависимости от выбранных материалов подложки. Это в первую очередь связано с тепловыми характеристиками подложек.
Существует несколько традиционных применений толстопленочных нагревателей. Их можно использовать в сковородках, вафельницах, электронагревателях на плитах, увлажнителях, чайниках, устройствах для термосварки, водонагревателях, утюгах и отпаривателях для одежды, выпрямителях для волос, бойлерах, подогреваемых столах 3D-принтеров , термопечатающих головках, клеевых пистолетах, лабораторном нагревательном оборудовании, сушилках для одежды, нагревателях плинтусов, подогреваемых лотках, теплообменниках, устройствах для удаления льда и запотевания с автомобильных стекол, боковых зеркал, размораживании холодильников и т. д. [13]
Для большинства приложений тепловые характеристики и распределение температуры являются двумя ключевыми параметрами конструкции. Для поддержания равномерного распределения температуры по подложке, конструкция схемы может быть оптимизирована путем изменения локализованной плотности мощности цепи резистора. Оптимизированная конструкция нагревателя помогает контролировать мощность нагрева и модулировать локальные температуры по подложке нагревателя. В случаях, когда требуется две или более зон нагрева с различной плотностью мощности на относительно небольшой площади, толстопленочный нагреватель может быть спроектирован для достижения зонального рисунка нагрева на одной подложке.
Толстопленочные нагреватели можно в основном охарактеризовать по двум подкатегориям — материалы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и материалы с положительным температурным коэффициентом (PTC) — на основе влияния изменений температуры на сопротивление элемента. Нагреватели типа NTC характеризуются уменьшением сопротивления по мере увеличения температуры нагревателя и, таким образом, имеют более высокую 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 делает их саморегулирующимися, поскольку их мощность стабилизируется при фиксированных температурах. С другой стороны, нагреватели типа NTC обычно требуют термостата или термопары для управления разгоном нагревателя. Эти нагреватели используются в приложениях, где требуется быстрый подъем температуры нагревателя до заданного заданного значения, поскольку они обычно действуют быстрее, чем нагреватели типа PTC.
Электродный котел использует электричество, протекающее через потоки воды, для создания пара. Рабочее напряжение обычно составляет от 240 до 600 вольт, однофазный или трехфазный переменный ток . [14]
Лазерные нагреватели — это нагревательные элементы, используемые для достижения очень высоких температур. [15]
Материалы, используемые в нагревательных элементах, выбираются с учетом различных механических, термических и электрических свойств. [9] В связи с широким диапазоном рабочих температур, которые выдерживают эти элементы, температурные зависимости свойств материалов являются общими факторами, которые необходимо учитывать.
Резистивные нагревательные сплавы — это металлы, которые могут использоваться для электрического нагрева при температуре выше 600 °C на воздухе. Их можно отличить от резистивных сплавов, которые используются в основном для резисторов, работающих при температуре ниже 600 °C. [8]
Хотя большинство атомов в этих сплавах соответствуют тем, которые указаны в их названии, они также состоят из микроэлементов. Микроэлементы играют важную роль в сплавах сопротивления, поскольку они оказывают существенное влияние на механические свойства, такие как обрабатываемость, стабильность формы и срок службы при окислении. [8] Некоторые из этих микроэлементов могут присутствовать в основном сырье, в то время как другие могут быть добавлены намеренно для улучшения характеристик материала. Термины «загрязняет» и «усовершенствования» используются для классификации микроэлементов. [9] Загрязняет, как правило, имеет нежелательные эффекты, такие как сокращение срока службы и ограниченный температурный диапазон. Улучшения намеренно добавляются производителем и могут обеспечивать такие улучшения, как повышенная адгезия оксидного слоя, большая способность сохранять форму или более длительный срок службы при более высоких температурах.
Наиболее распространенные сплавы, используемые в нагревательных элементах:
Сплавы сопротивления Ni-Cr(Fe), также известные как нихром или хромель , описываются стандартами ASTM и DIN. [2] [4] Эти стандарты определяют относительные проценты никеля и хрома , которые должны присутствовать в сплаве. В ASTM три указанных сплава содержат, среди прочих следовых элементов:
Нихром 80/20 является одним из наиболее часто используемых сплавов для нагрева сопротивлением, поскольку он имеет относительно высокое сопротивление и образует адгезионный слой оксида хрома при первом нагревании. Материал под этим слоем не окисляется, что предотвращает разрыв или перегорание проволоки.
Сплавы сопротивления Fe-Cr-Al, также известные как Kanthal® , описаны стандартом ASTM. [3] Производители могут выбрать этот класс сплавов вместо сплавов Ni-Cr(Fe), чтобы избежать обычно относительно более высокой стоимости никеля как сырья по сравнению с алюминием. Компромисс заключается в том, что сплавы Fe-Cr-Al более хрупкие и менее пластичные, чем сплавы Ni-Cr(Fe), что делает их более хрупкими и склонными к поломкам. [16]
С другой стороны, слой оксида алюминия, который образуется на поверхности сплавов Fe-Cr-Al, более термодинамически стабилен, чем слой оксида хрома, который имеет тенденцию образовываться на Ni-Cr(Fe), что делает Fe-Cr-Al более устойчивым к коррозии. [16] Однако влажность может быть более пагубной для срока службы проволоки Fe-Cr-Al, чем Ni-Cr(Fe). [8]
Сплавы Fe-Cr-Al, как и нержавеющие стали, имеют тенденцию подвергаться охрупчиванию при комнатной температуре после нагревания в диапазоне температур от 400 до 575 °C в течение длительного времени. [17]
Нагревательные элементы находят широкое применение в бытовых, коммерческих и промышленных условиях:
Срок службы нагревательного элемента определяет, как долго он, как ожидается, прослужит в приложении. Обычно нагревательные элементы в бытовых приборах рассчитаны на 500–5000 часов использования в зависимости от типа продукта и способа его использования. [8] : 164
Более тонкая проволока или лента всегда будет иметь меньший срок службы, чем более толстая при той же температуре. [8] : 58
Стандартизированные испытания на долговечность для материалов с резистивным нагревом описаны ASTM International . Ускоренные испытания на долговечность для сплавов Ni-Cr(Fe) [22] и сплавов Fe-Cr-Al [23], предназначенных для электрического нагрева, используются для измерения циклической стойкости материалов к окислению.
Провода сопротивления и ленты чаще всего поставляются намотанными на катушки . [8] : 58–59 Обычно чем тоньше провод, тем меньше катушка. В некоторых случаях вместо катушек можно использовать ведерки или кольца.
Общие требования безопасности для нагревательных элементов, используемых в бытовых приборах, определены Международной электротехнической комиссией (МЭК) . [24] Стандарт устанавливает пределы для таких параметров, как прочность изоляции, длина пути утечки и ток утечки. Он также устанавливает допуски на номинал нагревательного элемента.
{{cite report}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite report}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite report}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite report}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )