Varmeelement Elektrisk varmeplate

Hva er varmeelementer? Hvordan fungerer elektriske varmeovner? Hvilke typer produkter er tilgjengelige? Hvilke typer oppvarmingsmaterialer er tilgjengelige? En omfattende oversikt over det grunnleggende om varmeelementer.

1. Hva er varmeelementer?
Et varmeelement er et materiale eller en enhet som konverterer elektrisk energi direkte til varme eller termisk energi gjennom et prinsipp kjent som jouleoppvarming. Jouleoppvarming er fenomenet der en leder genererer varme på grunn av strømmen av elektrisk strøm. Når strømmen strømmer gjennom et materiale, kolliderer elektroner eller andre ladningsbærere med lederens ioner eller atomer, og genererer friksjon i atomskalaen. Denne friksjonen manifesterer seg da som varme. Joule sin første lov (Joule - Lenz Law) beskriver varmen generert av strøm i en dirigent. Det uttrykkes som:

P=iv eller p=i²r

I henhold til disse ligningene avhenger mengden av varme som genereres av strøm, spenning eller motstand til ledermaterialet. Motstand er en nøkkelfaktor i utformingen av et varmeelement.

Jouleoppvarming er tydelig i alle ledende materialer med varierende styrker, med unntak av en spesiell klasse av materialer kjent som superledere. Generelt genererer ledende materialer mindre varme fordi ladningsbærere flyter lett gjennom dem, mens materialer med høy motstand genererer mer varme. Superledere, derimot, tillater strømmen å strømme uten å generere noe varme. Generelt sett anses varme fra en leder som energitap. Den elektriske energien som brukes til å drive en enhet genererer unødvendig varme i form av overføringstap, og til slutt gir noe nyttig arbeid.

På en måte er elektriske oppvarmingselementer nesten 100% effektive fordi all den medfølgende energien blir konvertert til den tiltenkte formen. Varmeelementer kan ikke bare utføre varme, men også overføre energi gjennom lys og stråling. Dette gjelder imidlertid bare delvis ideelle motstander. Materialets iboende kapasitans og induktans konverterer henholdsvis elektrisk energi til elektriske og magnetiske felt, noe som resulterer i mindre tap. Tatt i betraktning hele varmeapparatet, kommer tap fra varme spredt fra prosessvæsken eller varmeapparatet til det ytre miljøet. Derfor må systemet isoleres for å bruke all den genererte varmen.

Ii. Oppvarmingselementegenskaper
Nesten alle ledere genererer varme når strømmen strømmer gjennom dem. Imidlertid er ikke alle ledere egnet for bruk som varmeelementer. Den rette kombinasjonen av elektriske, mekaniske og kjemiske egenskaper er nødvendig. Følgende egenskaper er viktige for design av varmeelement.

Motstand: For å generere varme, må et varmeelement ha tilstrekkelig elektrisk motstand. Motstanden kan imidlertid ikke være så høy at den blir en isolator. Motstand er lik resistivitet multiplisert med lederlengde delt med lederkors - seksjon. For et gitt kors - -seksjonen, for å få en kortere leder, bruk et materiale med høyere resistivitet.

Oksidasjonsmotstand: Varme akselererer typisk oksidasjon i metaller og keramikk. Oksidasjon kan konsumere varmeelementet, redusere kapasiteten eller skade strukturen. Dette begrenser levetiden til varmeelementet. For metallvarmeelementer hjelper legering med oksydet med å motstå oksidasjon ved å danne et passiveringslag. For keramiske oppvarmingselementer er beskyttende anti - oksidasjonsskalering med sio₂ eller al₂o₃ vanligst. Oppvarmingselementtyper som er uegnet for bruk i oksidasjonsmiljøer, for eksempel grafitt, brukes ofte i vakuumovner eller ovner med ikke - oksiderende atmosfæregasser (for eksempel H₂, N₂, AR eller HE) der det ikke er luft i varmekammeret.
Temperaturkoeffisient for motstand: Legg merke til hvordan et materials resistivitet endres med temperatur. I de fleste ledere, når temperaturen øker, øker også motstanden. Dette fenomenet påvirker noen materialer mer betydelig enn andre. En høyere TCR brukes først og fremst i varme - sensitive applikasjoner. For varmeproduksjon er en lavere verdi generelt foretrukket. Mens endringen i motstand kan forutsies nøyaktig i noen tilfeller, er det nødvendig med en dramatisk økning i motstand for å levere mer kraft. For å tilpasse systemet til å endre resistivitet, brukes et kontroll- eller tilbakemeldingssystem.

Mekaniske egenskaper: Stive varmeelementer deformeres når de brukes ved høye temperaturer. Når et materiale nærmer seg dens smeltede eller omkrystalliserte tilstanden, svekkes og deformeres lettere enn ved romtemperatur. Et godt varmeelement opprettholder sin form selv ved høye temperaturer. Duktilitet er derimot en ønskelig mekanisk egenskap, spesielt for metallvarmeelementer. Duktilitet gjør at materialet kan trekkes inn i ledningen og formes uten at det går ut over strekkfastheten.
Smeltepunkt: I tillegg til temperaturen som oksidasjonen øker betydelig, begrenser et materials smeltepunkt også driftstemperaturen. Keramikk har vanligvis høyere smeltepunkter enn metallvarmere.

Oppvarming av elementmaterialer

Oppvarmingselementets materialegenskaper begrenser valget til noen få materialer. De vanligste er nikkel - kromlegeringer, jern - krom - aluminiumlegeringer, molybden silicid og silisiumkarbid. Disse materialene kan fungere ved høye temperaturer fordi de motstår oksidasjon ved høye temperaturer. En annen gruppe består av grafitt, molybden, wolfram og tantal. Disse materialene oksiderer ved høye temperaturer og brukes ofte i vakuummiljøer eller ovner med et oksygen - fri atmosfære.

Nikkel - krom (ni - cr) legering
Denne typen varmeelement er et av de mest brukte materialene på grunn av dets duktilitet, høye resistivitet og motstand mot oksidasjon selv ved høye temperaturer. Den vanligste sammensetningen av Ni - Cr -legering er 80/20, eller 80% nikkel og 20% ​​krom. Andre komposisjoner varierer avhengig av produsenten. På grunn av den høye duktiliteten trekkes den ofte inn i tråd når den brukes som et varmeelement. En vanlig applikasjon som viser denne egenskapen er varm - trådskumskjærere. Maksimal oppvarmingstemperatur på Ni - Cr -ledningen er omtrent 1100 til 11.200 grader.

Jern - krom - aluminum (fe - cr - al) legering
Denne typen ferritisk Fe - cr - al -legering har typisk en kjemisk sammensetning på 20% til 24% krom, 4 - 6% aluminium og jern som balanse. Sammenlignet med ni - cr, er fe - cr - al -varmeovner fleksible og lettere. De kan også generere høyere temperaturer enn Ni - Cr Wire, omtrent 1.300 til 1.400 grader. På grunn av sitt jernbase -metall, svinger denne legerens pris mindre enn ni - Cr, som først og fremst er sammensatt av nikkel. En ulempe med å bruke Fe - Cr-Al-legeringer er deres reduserte styrke ved høyere temperaturer.

Fe - cr - al -legeringer kan produseres mer effektivt gjennom en prosess kjent som pulvermetallurgi. I denne prosessen reduseres en ingot av legeringen til et pulver og komprimeres til en form. Den er deretter sintret eller varm - trykket (varm isostatisk pressing) i en temperatur - kontrollert atmosfære for å skape en metallurgisk binding uten å smelte det pulveriserte metallet fullstendig. Dispergeringsmidler tilsettes legeringsblandingen for å forbedre materialets mekaniske egenskaper, og gir ekstra styrke og seighet ved høyere temperaturer.

Molybden Disilicide (Mosi₂)
Molybden Disilicide er en ildfast cerma (keramisk - metallkompositt) primært brukt som et varmeelementmateriale. På grunn av det høye smeltepunktet og god korrosjonsmotstand, er det et ideelt materiale for høye - temperaturovner. Mosi₂ varmeelementer produseres gjennom forskjellige energi - intensive prosesser, inkludert mekanisk legering, forbrenningssyntese, påvirkningssyntese og varm isostatisk pressing.

Mosi₂ ovner kan oppnå oppvarmingstemperaturer opp til 1 900 grader. Ulemper ved bruk av molybden silicid er dens lave seighet under omgivelsesforhold og dens tendens til å krype ved høye temperaturer. Det er sprøtt ved romtemperatur og krever ekstrem pleie i håndteringen. Høyere seighet oppnås ved den sprø - til - duktil overgangstemperatur, rundt 1000 grader. På den annen side kan den høyere krypfrekvensen føre til at varmeelementet lett deformeres ved høye temperaturer. Den vanligste typen mosi2 -element er en to - skankhårnåldesign, vanligvis suspendert fra ovnstaket og plassert rundt ovnveggene. Andre former er ofte kombinert med keramiske isolasjonsformere som en integrert pakke for å gi mekanisk støtte og termisk isolasjon.

Silisiumkarbid (sic)
Dette er en keramikk produsert ved omkrystallisering eller reaksjonsbinding SIC -korn ved temperaturer over 2.100 grader. Silisiumkarbidvarmeelementer er porøse (typisk 8 - 25%), slik at ovnatmosfæren kan reagere gjennom tverrsnittet av materialet. Hele oppvarmingselementet kan gradvis oksidere, noe som fører til at dets resistive egenskaper øker over tid (ofte referert til som "aldring"). Det kreves ofte en variabel spenningsstrømforsyning for å gradvis øke elementspenningen over levetiden ved å gradvis opprettholde den nødvendige effektutgangen. Denne aldringen begrenser til slutt levetiden og ytelsen til varmeelementet.

Silisiumkarbid har mange egenskaper som gjør det egnet for å produsere varmeelementer som er egnet for ekstremt høye driftstemperaturer. Denne keramikken har ingen flytende fase. Dette betyr at elementet ikke vil synke eller deformere på grunn av kryp ved noen temperatur, og det kreves ingen støtte i ovnen. Silisiumkarbid sublimer direkte ved omtrent 2700 grader. Videre er den kjemisk inert til de fleste prosessvæsker og har høy stivhet og en lav termisk ekspansjonskoeffisient. Silisiumkarbidvarmere kan nå oppvarmingstemperaturer fra omtrent 1600 til 1.700 grader.

Grafitt
Grafitt er et mineral sammensatt av karbon, der atomer er anordnet i en sekskantet struktur. Dette mineralet, også i sin syntetiske form, er en utmerket leder av varme og strøm. Grafitt kan generere varme ved temperaturer som overstiger 2000 grader. Ved høye temperaturer øker den elektriske motstanden betydelig. Videre tåler det termisk sjokk og blir ikke sprøtt selv etter hurtigvarme og kjølesykluser. Den største ulempen ved å bruke grafitt er dens tendens til å oksidere ved temperaturer rundt 500 grader. Fortsatt bruk innenfor dette området vil etter hvert føre til materiell uttømming. Grafittvarmeelementer brukes ofte i vakuumovner, der oksygen og andre gasser er ventilert fra varmekammeret. Denne oksygenutarmingen forhindrer oksidasjon ikke bare av det smeltede metallet, men også av selve varmeelementet. Grafitt kan brukes i filmforsegling for å lage tynne - filmvarmere som karbonkrystallvarmefilmer og grafenvarmefilmer.

Molybden, wolfram og tantal
Når de brukes som varmeelementer, er dette ildfaste metaller med egenskaper som ligner på grafitt. Av disse metallene har wolfram den høyeste driftstemperatur, men er også dyrere. Molybden er mer populær når det gjelder tilgjengelighet fordi det er den minst kostbare, men fortsatt dyrere enn grafitt. I likhet med grafitt kan de bare brukes under vakuumforhold på grunn av deres sterke bindingsaffinitet med oksygen og til og med hydrogen og nitrogen. De begynner å oksidere ved temperaturer mellom omtrent 300 og 500 grader.

Positive temperaturkoeffisient (PTC) materialer
Det typiske PTC -materialet er gummi, men keramikk er også mulig. PTC -gummi er laget av polydimetylsiloksan (PDMS) og karbon nanopartikler. PTC -varmeovner har en unik egenskap: de opprettholder eller begrenser strømstrømmen ved å øke motstanden når temperaturen stiger. Dette gjør dem trygge og egnet for applikasjoner som konstant temperatur og intelligent temperaturkontroll i klær og medisinsk utstyr. Opprinnelig bruker varmeapparatet all kraft og varmer opp på grunn av dens resistivitet. Når varmen bygger, øker materialets motstand, og fungerer som en isolator. Dette oppnås uten behov for noen tilbakemeldingssløyfe.

Typer varmeelementer
Et varmeelement alene utgjør ikke hele varmesystemet. I tillegg til varmeelementet inkluderer en varmeovn også terminaler, ledninger, isolasjon, fyllstoff, hylster og tetninger. Disse varmeovnene kommer i forskjellige former og konfigurasjoner for å passe til spesifikke applikasjoner. Følgende viser de vanligste varmeovnene og applikasjonene deres.

Luftprosessvarmere: Som navnet antyder, brukes denne typen varmeapparat til å varme opp luft. En luftprosessvarmer er egentlig et oppvarmet rør eller kanal med den ene enden for inntak av kjølig luft og den andre for utløpet av varm luft. Langs kanalveggen er spoler av varmeelementer isolert av keramikk og ikke - ledende pakninger. Disse brukes vanligvis i høy - flyt, lav - trykkapplikasjoner. Bruksområder for luftprosessvarmere inkluderer varmekrymping, laminering, limaktivering eller herding, tørking og baking.

Kassettvarmere: I denne typen varmeovn blir en motstandstråd viklet rundt en keramisk kjerne, vanligvis laget av komprimert magnesiumoksyd. Rektangulære konfigurasjoner er også tilgjengelige, der motstandstrådspolene passerer tre til fem ganger langs kassettens lengde. Motstandstråden, eller varmeelementet, er plassert nær veggen i skjedematerialet for å maksimere varmeoverføringen. For å beskytte de interne komponentene er kappen vanligvis laget av en korrosjon - -bestandig materiale som rustfritt stål. Ledningene er typisk fleksible, med begge terminalene lokalisert i den ene enden av kassetten. Kassettvarmere brukes til muggoppvarming, væskeoppvarming (nedsenkingsvarmere) og overflateoppvarming.

Rørformede varmeovner: Tubular ourers har den samme indre strukturen som kassettvarmere. Hovedforskjellen fra kassettvarmere er at blyterminalene er plassert i hver ende av røret. Hele den rørformede strukturen kan bøyes i forskjellige former for å passe til ønsket varmefordeling av rommet eller overflaten som skal varmes opp. I tillegg kan disse varmeovnene ha finnene mekanisk bundet til skjedeoverflaten for å hjelpe til med effektiv varmeoverføring. Rørformede varmeovner er like allsidige som kassettvarmere og brukes i lignende applikasjoner.

Båndvarmere: Disse varmeovnene er designet for å vikle rundt sylindriske metalloverflater eller kar, for eksempel rør, fat, trommer og ekstruderere. De har bolt - på låsende faner som sikkert klemmer seg til fartøyets overflate. Varmeapparatet er en tynn, resistiv ledning eller bånd, vanligvis isolert med glimmer. Hylsen er laget av rustfritt stål eller messing. En annen fordel med å bruke en båndvarmer er at den varmer væsken i fartøyet indirekte. Dette betyr at varmeapparatet ikke er underlagt noe kjemisk angrep fra prosessvæsken. Dette forhindrer også potensielle branner når de brukes i olje og smøremiddel.

Stripevarmere: Disse varmeovnene er flate, rektangulære og boltet til overflaten for å bli oppvarmet. Deres interne konstruksjon er lik den for en båndvarmer. Imidlertid kan isolasjonsmaterialet, i tillegg til glimmer, være keramikk, for eksempel magnesiumoksyd og glassfiber. Typiske bruksområder for båndvarmere er overflateoppvarming for muggsopp, dies, platens, stridsvogner, rør og lignende. I tillegg til overflateoppvarming, kan de også brukes til luft eller væskeoppvarming ved å ha en finnet overflate. Finnede varmeovner finnes i ovner og romvarmere.

Etsede folievarmere: Etsede folievarmere kalles også tynn - filmvarmere. I denne typen er det resistive oppvarmingsmaterialet etset og bundet til en folie, vanligvis laget av aluminium. Hvis det er nødvendig med større fleksibilitet og tårebestandighet, kan underlaget også være laget av varme - -bestandig syntetisk gummi eller termoplastisk polyuretan (TPU). Vanlige fleksible varmeovner som kjæledyrvarmefilm, FPC -varmefilm og silikonvarmere bruker ofte etsede folievarmere. Foruten fleksibilitet, er en annen fordel den stramme avstanden til varmeelementene, en iboende fordel med fotokjemisk etsing. Selv i en så liten formfaktor kan varmefordeling med større varmetetthet oppnås. Sammenlignet med tradisjonelle trådvarmere, er applikasjonene mer spesialiserte. Etsede folievarmere brukes ofte i medisinsk utstyr, elektronikk og instrumentering, romfart og klær. Den ene siden kan foret med et limlag for enkel installasjon.

Keramiske varmeovner: Disse varmeovnene bruker keramikk med et høyt smeltepunkt, høy termisk stabilitet, høy - temperaturstyrke, høy relativ kjemisk inertness og lav varme kapasitet. Merk at dette er forskjellig fra keramikk som brukes som isolerende materialer. På grunn av deres utmerkede varmeledningsevne, er de vant til å utføre og distribuere varme fra varmeelementet. Bemerkelsesverdige keramiske varmeovner inkluderer silisiumnitrid og aluminiumnitrid. Disse brukes ofte til rask oppvarming, som sees i glødeplugger og tenner. Når det er utsatt for hurtig, høy - temperaturoppvarming og kjølesykluser, er materialet imidlertid mottakelig for sprekker på grunn av tretthet forårsaket av termisk stress. En spesiell type keramisk varmeovn er PTC keramikk. Denne typen selv - regulerer strømforbruket, og forhindrer at den blir rød varm.

Keramisk fibervarmer: I denne typen varmeovn fungerer keramisk fiber som en isolator, og konsentrerer varme på overflaten for å bli oppvarmet for å forhindre systemtap. En motstandstråd blir viklet rundt den ene siden av keramisk fibermatte. Denne siden er bundet til overflaten, som kan varmes opp til 1200 grader.

Konklusjon:
Et varmeelement er et materiale eller en enhet som konverterer elektrisk energi direkte til varme eller termisk energi gjennom et prinsipp kjent som jouleoppvarming.
De viktigste varmeelementets egenskaper er tilstrekkelig resistivitet, høy oksidasjonsmotstand, en lav temperaturkoeffisient for motstand, høy seighet og et høyt smeltepunkt.
Vanlige brukte varmeelementer inkluderer nikkel - kromlegeringer, jern - krom - aluminiumlegeringer, molybden disilicide og silisiumkarbid. Grafitt og andre ildfaste metaller, som vanligvis har høye oksidasjonshastigheter, er også populære.
I tillegg til varmeelementet inkluderer en varmeovn også terminaler, ledninger, isolasjon, fyllstoffer, skjeder og tetninger. Disse varmeovnene kommer i forskjellige former og konfigurasjoner for å passe til spesifikke applikasjoner.
Typiske spesifikasjoner for varmebestilling inkluderer effekt eller watt, maksimal driftstemperatur, prosessvæsketype, skjedemateriale og strømforsyning (spenning og frekvens).