Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Символ нагревателя-змеевика или нагревательного элемента
Некоторые другие символы, используемые для змеевиков или нагревательных элементов

Нагревательный элемент преобразует электрическую энергию в тепло в процессе нагрева Джоуля . Электрический ток через элемент встречает сопротивление , в результате чего элемент нагревается. В отличие от эффекта Пельтье , этот процесс не зависит от направления тока.

Типы нагревательных элементов [ править ]

ТЭН трубчатый
Сложенная трубчатый нагревательный элемент из эспрессо машины
Спиральный нагревательный элемент от электрического тостера

Металл [ править ]

Проволока сопротивления: Металлические нагревательные элементы сопротивления 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. Наиболее распространенные классы используемых материалов включают:

  • 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 оксида хрома при первом нагревании. Материал под этим слоем не окисляется, предотвращая поломку или выгорание проволоки.
  • Кантал (FeCrAl) проволока
  • Мельхиор (CuNi) сплавы для низких температур нагрева
  • Травленая фольга: элементы из фольги с травлением 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 используются в системах прецизионного нагрева, таких как медицинская диагностика и аэрокосмическая промышленность.

Керамика и полупроводник [ править ]

  • Дисилицид молибдена (MoSi 2 ) интерметаллическое соединение, силицид молибдена, представляет собой тугоплавкую керамику, которая в основном используется в нагревательных элементах. Он имеет умеренную плотность, температуру плавления 2030 ° C (3686 ° F) и является электропроводным. При высоких температурах образует пассивирующий слой диоксида кремния, защищающий его от дальнейшего окисления. Область применения: стекольная промышленность , спекание керамики , печи для термообработки и диффузионные печи для полупроводников .
  • Карбид кремния , см. Карбид кремния § нагревательные элементы .
  • Нитрид кремния , см. Нитрид кремния в автомобильной промышленности . Запальник нового поколения для газовых топок и свечи накаливания дизельного двигателя изготовлены из нитрида кремния. Такой нагревательный элемент или свеча накаливания достигают максимальной температуры 1400 ° C и быстро воспламеняют газ, дизельное топливо или керосин. [1]
  • Керамические элементы PTC : керамические материалы PTC названы по их положительному термическому коэффициенту сопротивления (т. Е. Сопротивление увеличивается при нагревании). Хотя большинство керамических материалов имеет отрицательный коэффициент, эти материалы (часто композиты из титаната бария и титаната свинца ) имеют сильно нелинейный тепловой отклик, так что выше пороговой температуры, зависящей от состава, их сопротивление быстро увеличивается. 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 сотовой формы - в более дорогих.фены , обогреватели и самая современная печь на гранулах . Такой нагревательный элемент может достигать температуры 950-1000 ° C и хвалят за быстроту изменения температуры и стабильность. [2]
  • Кварцевые галогенные инфракрасные обогреватели также используются для лучистого отопления . [3] [4] [5]

Толстопленочные нагреватели [ править ]

Толстопленочный нагреватель, напечатанный 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 энергопотреблением, высокой удельной мощностью и широким диапазоном совместимости по напряжению. [6] Обычно толстопленочные нагреватели печатают на плоских подложках, а также на трубках с различными рисунками нагревателей. Эти нагреватели могут достигать удельной мощности до 100 Вт / см 2 в зависимости от условий теплопередачи. [7] Шаблоны толстопленочного нагревателя легко настраиваются в зависимости от сопротивления листа. напечатанной резисторной пасты.

Эти нагреватели могут быть напечатаны на различных подложках, включая металл, керамику, стекло, полимер, с использованием толстопленочных паст, содержащих металл / сплав. [7] Чаще всего для печати толстопленочных нагревателей используют алюминий 6061-T6, нержавеющую сталь и листы слюды мусковита или флогопита . 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 утюга и ткани, выпрямителях для волос, бойлерах, кроватях с подогревом для 3D-принтеров, термопечатающих головках, клеевых пистолетах, лабораторное обогревательное оборудование, сушилки для одежды, обогреватели плинтусов, противообледенительные или противотуманные устройства, подогревающие подносы, боковые зеркала автомобиля, оттаивание холодильника, теплообменники и т. д.

Для большинства приложений тепловые характеристики и распределение температуры являются двумя ключевыми проектными параметрами. Чтобы избежать появления горячих точек и поддерживать равномерное распределение температуры по подложке, конструкция схемы может быть оптимизирована путем изменения локальной плотности мощности цепи 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 разделить на две подкатегории - отрицательный температурный коэффициент (NTC) или положительный температурный коэффициент (PTC) в зависимости от влияния 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, для нагревателей типа NTC обычно требуется термостат или термопара.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 [ править ]

Гибкий нагреватель PTC из токопроводящей резины

Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из проводящих резиновых материалов PTC, где удельное сопротивление экспоненциально возрастает с повышением температуры. [8] 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 обогреватель и саморегулирующийся обогреватель . 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 [ править ]

Электродный котел

Композитные нагревательные элементы [ править ]

Трубчатый нагревательный элемент духовки
  • Трубчатые (в оболочке) элементы обычно содержат тонкую катушку из проволоки из резистивного нагревательного сплава из нихрома (NiCr), которая расположена в металлической трубке (из сплавов меди или нержавеющей стали, таких как Incoloy ) и изолирована порошком оксида магния . Чтобы влага не попадала в гигроскопичный изолятор, на его концах устанавливаются полоски из изоляционного материала, например керамики или силиконовой резины, или их комбинации. Трубка протягивается через фильеру для сжатия порошка и максимальной теплопередачи. Это может быть прямой стержень (как в тостерах ) или изогнутый до такой формы, чтобы охватить нагреваемую область (например, в электрических плитах , духовках и кофеварках.).
  • Металлокерамические направляющие с трафаретной печатью, нанесенные на изолированные металлические (обычно стальные) пластины с керамической изоляцией, с середины 1990-х годов нашли широкое применение в качестве элементов в чайниках и других бытовых приборах.
  • Радиационные нагревательные элементы (тепловые лампы): мощная лампа накаливания обычно работает с мощностью меньше максимальной, чтобы излучать в основном инфракрасный, а не видимый свет. Обычно они используются в излучающих обогревателях и подогревателях пищи, имеют либо длинную трубчатую форму, либо форму лампы-рефлектора R40 . Лампы с отражателем часто окрашиваются в красный цвет, чтобы минимизировать производимый видимый свет; трубчатая форма бывает разных форматов:
    • Золотое покрытие - прославлен запатентованной лампой Phillips Helen. На внутреннюю часть нанесена золотая дихроичная пленка, которая уменьшает видимый свет и пропускает большую часть коротких и средних волн инфракрасного излучения. В основном для обогрева людей. В настоящее время эти лампы производятся рядом производителей, и они постоянно совершенствуются.
    • Рубиновое покрытие - та же функция, что и лампы с золотым покрытием, но за небольшую плату. 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 нагревательного сплава, пропущенная через один или несколько цилиндрических керамических сегментов для получения необходимой длины (в зависимости от выходной мощности), с центральным стержнем или без него. Вставленный в металлическую оболочку или герметичную трубку с одного конца, этот тип элемента позволяет производить замену или ремонт без нарушения процесса, обычно нагрева жидкости под давлением.

Системы комбинированных нагревательных элементов [ править ]

  • Нагревательные элементы для высокотемпературных печей часто изготавливаются из экзотических материалов, включая платину , дисилицид вольфрама / дисилицид молибдена , молибден ( вакуумные печи ) и карбид кремния . Карбида кремния запалы распространены в газовых печах. Лазерные нагреватели также используются для достижения высоких температур. [9]

См. Также [ править ]

  • Шланг с подогревом
  • Нагревательный кожух
  • Положительный температурный коэффициент
  • Термоэлектрический эффект

Ссылки [ править ]

  1. ^ "SiN Ceramic Igniter - FKK Corporation" . plug.fkk-corporation.com . Проверено 30 ноября 2020 .
  2. ^ "Керамические воспламенители для пеллет - Корпорация FKK" . plug.fkk-corporation.com . Проверено 30 ноября 2020 .
  3. ^ "Кварцево-вольфрамовые и кварцевые галогенные инфракрасные трубчатые нагреватели" .
  4. ^ "Галогенные обогреватели - преимущества и недостатки | Tansun" . www.tansun.com .
  5. ^ "Кварцево-вольфрамовые и кварцевые галогенные нагреватели" .
  6. ^ "Наша технология толстой пленки | Datec" . Datec Coating Corporation . Проверено 11 августа 2019 .
  7. ^ a b Печатные пленки: материаловедение и приложения в датчиках, электронике и фотонике . Пруденциати, М. (Мария), Хормадали, Якоб. Кембридж, Великобритания: Woodhead Publishing. 2012. ISBN 978-0857096210. OCLC  823040859 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  8. ^ Патент США 6,734,250 
  9. ^ Рашидиан Вазири, MR; и другие. «Новый лазерный нагреватель СО2 с растровым сканированием для импульсного лазерного осаждения: проектирование и моделирование для равномерного нагрева подложки» . Оптическая инженерия . 51 (4): 044301. DOI : 10,1117 / 1.OE.51.4.044301 . Архивировано 10 октября 2016 года.