Grijaći element električni grijaći grijanje grijača Osnove proizvodnje

Što su grijaći elementi? Kako rade električni grijači? Koje su vrste proizvoda dostupne? Koje su vrste materijala za grijanje dostupne? Sveobuhvatan pregled osnova grijaćih elemenata.

1. Što su grijaći elementi?
Element grijanja je materijal ili uređaj koji električnu energiju pretvara izravno u toplinu ili toplinsku energiju kroz princip poznat kao Joule grijanje. Joule grijanje je fenomen u kojem vodič stvara toplinu zbog protoka električne struje. Kad struja teče kroz materijal, elektroni ili drugi nosači naboja sudaraju se s ionima ili atomima vodiča, stvarajući trenje na atomskoj skali. To se trenje tada očituje kao toplina. Jouleov prvi zakon (Joule - Lenz zakon) opisuje toplinu koju je struja generirala u vodiču. Izražava se kao:

P=iv ili p=I²R

Prema tim jednadžbama, količina generirane topline ovisi o struji, naponu ili otporu materijala vodiča. Otpor je ključni faktor u dizajnu grijaćeg elementa.

Joule grijanje je vidljivo u svim provodnim materijalima različitih snaga, s izuzetkom posebne klase materijala poznatih kao Superprevodnici. Općenito, vodljivi materijali stvaraju manje topline jer nosači naboja lako prolaze kroz njih, dok materijali s velikim otporom stvaraju više topline. Superprevodnici, s druge strane, omogućuju struju da teče bez stvaranja bilo kakve topline. Općenito govoreći, toplina iz vodiča smatra se gubitkom energije. Električna energija koja se koristi za napajanje uređaja stvara nepotrebnu toplinu u obliku gubitaka prijenosa, u konačnici ne stvarajući nikakav koristan rad.

U određenom smislu, električni elementi grijanja gotovo su 100% učinkoviti jer se sva isporučena energija pretvara u njegov predviđeni oblik. Elementi grijanja ne samo da mogu provoditi toplinu, već i prenositi energiju svjetlom i zračenjem. Međutim, to se odnosi samo na djelomično idealne otpornike. Urođena kapacitivnost i induktivnost materijala pretvaraju električnu energiju u električna i magnetska polja, što rezultira manjim gubicima. S obzirom na cijeli sustav grijača, gubici dolaze od topline raspršene iz procesne tekućine ili samog grijača u vanjsko okruženje. Stoga sustav mora biti izoliran kako bi se iskoristila svu generiranu toplinu.

Ii. Svojstva grijanja
Gotovo svi vodiči stvaraju toplinu kada struja prođe kroz njih. Međutim, nisu svi vodiči prikladni za upotrebu kao grijaći elementi. Potrebna je prava kombinacija električnih, mehaničkih i kemijskih svojstava. Sljedeća svojstva važna su u dizajnu grijaćih elemenata.

Otpornost: Za stvaranje topline, grijaći element mora imati dovoljan električni otpor. Međutim, otpor ne može biti toliko visok da postane izolator. Otpor je jednak otporu pomnoženom s duljinom vodiča podijeljen s presjekom vodiča -. Za određeni presjek -, da biste dobili kraći vodič, koristite materijal s većim otporom.

Otpornost na oksidaciju: Toplina obično ubrzava oksidaciju u metalima i keramici. Oksidacija može konzumirati grijaći element, smanjujući njegov kapacitet ili oštećujući njegovu strukturu. To ograničava život grijaćeg elementa. Za metalne elemente grijanja, legiranje oksidom pomaže oduprijeti oksidaciji formiranjem pasivizacijskog sloja. Za elemente grijanja keramike, zaštitno anti - Skaliranje oksidacije sa SiO₂ ili Al₂o₃ je najčešći. Vrste grijanja elemenata koje nisu prikladne za upotrebu u oksidirajućim okruženjima, poput grafita, najčešće se koriste u vakuumskim pećima ili peći s non - oksidirajućim atmosferskim plinovima (poput H₂, N₂, AR ili HE) gdje u komori za grijanje nema zraka.
Temperaturni koeficijent otpora: Imajte na umu kako se otpornost materijala mijenja s temperaturom. U većini vodiča, kako se temperatura povećava, otpor se povećava. Ovaj fenomen utječe na neke materijale značajnije od drugih. Viši TCR se prvenstveno koristi u toplini - osjetljivim aplikacijama. Za stvaranje topline općenito se preferira niža vrijednost. Iako se promjena otpora može u nekim slučajevima precizno predvidjeti, potrebno je dramatično povećanje otpora za postizanje veće snage. Da bi se sustav prilagodio promjeni otpora, koristi se sustav kontrole ili povratnih informacija.

Mehanička svojstva: kruti grijaći elementi deformiraju se kada se koriste na visokim temperaturama. Kako se materijal približava svom rastopljenom ili rekristaliziranom stanju, on slabi i deformira lakše nego na sobnoj temperaturi. Dobar grijaći element održava svoj oblik čak i pri visokim temperaturama. Duktilnost je, s druge strane, poželjno mehaničko svojstvo, posebno za metalne grijaće elemente. Duktilnost omogućava da se materijal uvuče u žicu i oblikova bez ugrožavanja njegove vlačne čvrstoće.
Točka topljenja: Osim temperature na kojoj se oksidacija značajno povećava, talište materijala također ograničava njegovu radnu temperaturu. Keramika obično ima veće točke taljenja od metalnih grijača.

Materijali za grijanje elemenata

Svojstva materijala za grijanje sužavaju odabir na nekoliko materijala. Najčešći su nikl - fromijske legure, željezo - Chromium - aluminijske legure, molibdenski silicid i silikonski karbid. Ti materijali mogu raditi na visokim temperaturama jer se odupiru oksidaciji na visokim temperaturama. Druga skupina sastoji se od grafita, molibdena, volframa i tantaluma. Ti se materijali oksidiraju na visokim temperaturama i često se koriste u vakuumskim okruženjima ili pećima s atmosferom bez kisika -.

Nikl - Chromium (ni - cr) legura
Ova vrsta grijaćeg elementa jedan je od najčešće korištenih materijala zbog njegove duktilnosti, visoke otpornosti i otpornosti na oksidaciju čak i pri visokim temperaturama. Najčešći sastav Ni - Cr legura je 80/20, ili 80% nikla i 20% kroma. Ostali sastavi se razlikuju ovisno o proizvođaču. Zbog velike duktilnosti, često se uvlači u žicu kada se koristi kao grijaći element. Uobičajena aplikacija koja pokazuje ovu karakteristiku je vruća {- rezači od pjene od žice. Maksimalna temperatura zagrijavanja Ni - CR žice je približno 1.100 do 1.200 stupnjeva.

Željezo - Chromium - aluminij (Fe - Cr - al) legura
Ova vrsta feritnog fe - cr - Al legura obično ima kemijski sastav od 20% do 24% kroma, 4 - 6% aluminij i željezo kao ravnotežu. U usporedbi s ni - Cr, Fe - Cr - Al grijači su fleksibilni i lakši. Oni također mogu stvoriti veće temperature od ni {- CR žice, otprilike 1.300 do 1.400 stupnjeva. Zbog svog metala željezne baze, cijena ove legure fluktuira manje od ni - Cr, koji je prvenstveno sastavljen od nikla. Nedostatak korištenja Fe - Cr-al legura je njihova smanjena snaga pri višim temperaturama.

Fe - Cr - Al legure mogu se učinkovitije proizvesti kroz postupak poznat kao metalurgija u prahu. U tom se procesu ingot legure svede na prah i zbijena u kalup. Zatim je sinterirano ili vruće - pritisnut (vruće izostatsko pritiskanje) u temperaturi - kontrolirana atmosfera kako bi se stvorila metalurška veza bez da se u potpunosti otopi metal u prahu. Rasprkosi se dodaju u smjesu legure kako bi se poboljšala mehanička svojstva materijala, prinoseći dodatnu čvrstoću i žilavost na višim temperaturama.

Molibden disilicid (mosi₂)
Molibden Disilicid je vatrostalni Cermet (keramički - metalni kompozit) koji se prvenstveno koristi kao materijal grijanja. Zbog visoke točke taljenja i dobre otpornosti na koroziju, idealan je materijal za visoke temperaturne peći -. Mosi₂ Elementi grijanja proizvode se različitim energetskim - intenzivnim procesima, uključujući mehaničko legiranje, sintezu izgaranja, sintezu udara i vruće izostatsko prešanje.

Mosi₂ grijači mogu postići temperature grijanja do 1.900 stupnjeva. Nedostaci korištenja molibdena silicida su njegova niska žilavost u ambijentalnim uvjetima i njegova sklonost puzanju na visokim temperaturama. Krhki je na sobnoj temperaturi i zahtijeva ekstremnu njegu u rukovanju. Veća žilavost postiže se na krhkom - do - duktilne temperature prijelaza, oko 1000 stupnjeva. S druge strane, veća brzina puzanja može uzrokovati da se element grijanja lako deformira pri visokim temperaturama. Najčešći tip MoSI2 elementa je dva - Shank Cosicpin Dizajn, obično suspendiran s krova peći i smješten oko zidova peći. Ostali se oblici često kombiniraju s keramičkim izolacijskim formatorima kao integriranim paketom za pružanje mehaničke potpore i toplinske izolacije.

Silicijski karbid (sic)
Ovo je keramika proizvedena rekristalizacijom ili reakcijskim vezanjem sic zrna na temperaturama iznad 2.100 stupnjeva. Elementi grijanja silicij-karbida su porozni (obično 8 {- 25%), omogućujući atmosferi peći da reagira kroz presjek materijala. Cijeli element grijanja može se postupno oksidirati, uzrokujući da se njegova otpornička svojstva s vremenom povećavaju (obično se nazivaju "starenje"). Često je potrebno promjenjivo napajanje napona kako bi se postupno povećalo napon elementa tijekom svog servisnog vijeka postupnim održavanjem potrebnog izlaza snage. Ovo starenje u konačnici ograničava životni vijek i performanse grijaćeg elementa.

Silicijski karbid ima mnoga svojstva koja ga čine pogodnim za proizvodnju grijaćih elemenata pogodnih za izuzetno visoke radne temperature. Ova keramika nema tekuću fazu. To znači da se element neće smanjiti ili deformirati zbog puzanja na bilo kojoj temperaturi, a u peći nije potrebna potpora. Silicijski karbid se pojavljuje izravno na približno 2.700 stupnjeva. Nadalje, kemijski je inertan za većinu procesnih tekućina i ima visoku krutost i nizak koeficijent toplinske ekspanzije. Grijači silicij -karbida mogu dostići temperature zagrijavanja od približno 1.600 do 1.700 stupnjeva.

Grafit
Grafit je mineral sastavljen od ugljika, u kojem su atomi raspoređeni u šesterokutnoj strukturi. Ovaj mineral, također u svom sintetičkom obliku, izvrstan je vodič topline i električne energije. Grafit može stvoriti toplinu na temperaturama veće od 2.000 stupnjeva. Pri visokim temperaturama njegov se električni otpor značajno povećava. Nadalje, može izdržati toplinski udar i ne postaje krhki ni nakon brzog ciklusa zagrijavanja i hlađenja. Glavni nedostatak korištenja grafita je njegova sklonost oksidiranju na temperaturama oko 500 stupnjeva. Nastavak upotrebe unutar ovog raspona na kraju će dovesti do iscrpljivanja materijala. Elementi grijanja grafita često se koriste u vakuumskim pećima, gdje se iz komore za grijanje odzračuju kisik i drugi plinovi. Ovo iscrpljivanje kisika sprječava oksidaciju ne samo od rastaljenog metala, već i samog grijaćeg elementa. Grafit se može koristiti u brtvenom filmu za stvaranje tankih - grijača filma, kao što su filmovi za grijanje ugljikovog kristala i filmovi za grijanje grafena.

Molibden, volfram i tantal
Kada se koriste kao grijaći elementi, to su vatrostalni metali sa svojstvima sličnim grafitima. Od tih metala, volfram ima najvišu radnu temperaturu, ali je također skuplji. Molibden je popularniji u pogledu dostupnosti jer je najmanje skup, ali još uvijek skuplji od grafita. Kao i grafit, oni se mogu koristiti samo u vakuumskim uvjetima zbog snažnog afiniteta vezanja s kisikom, pa čak i vodikom i dušikom. Počinju oksidirati na temperaturama između otprilike 300 i 500 stupnjeva.

Pozitivni koeficijent temperature (PTC) materijali
Tipični PTC materijal je guma, ali je moguća i keramika. PTC guma izrađena je od polidimetilsiloksana (PDMS) i ugljičnih nanočestica. PTC grijači imaju jedinstvenu karakteristiku: održavaju ili ograničavaju protok struje povećavajući otpor kako temperatura raste. To ih čini sigurnim i prikladnim za primjene kao što su konstantna temperatura i inteligentna kontrola temperature u odjeći i medicinskim uređajima. U početku grijač troši svu snagu i zagrijava se zbog svog otpora. Kako se toplina nakuplja, otpor materijala se povećava, djelujući kao izolator. To se postiže bez potrebe za bilo kakvom petljom za povratne informacije.

Vrste grijaćih elemenata
Samo grijaći element ne sadrži cijeli sustav grijanja. Uz grijaći element, grijač uključuje i terminale, potencijale, izolaciju, punjenje, obloge i brtve. Ovi grijači dolaze u različitim oblicima i konfiguracijama kako bi odgovarali određenim aplikacijama. Sljedeće navodi najčešće grijače i njihove aplikacije.

Grijači zraka: Kao što ime sugerira, ova vrsta grijača koristi se za toplinu protočnog zraka. Grijač zračnog procesa u osnovi je grijana cijev ili kanal s jednim krajem za unos hladnog zraka, a drugi za izlaz vrućeg zraka. Duž zida kanala nalaze se zavojnice grijaćih elemenata izoliranih keramičkim i non - vodljivim brtvama. Obično se koriste u visokom - protoku, niskim - tlačnim aplikacijama. Primjene za grijače zraka uključuju smanjenje topline, laminaciju, aktivaciju ljepila ili stvrdnjavanje, sušenje i pečenje.

Grijači uložaka: U ovoj vrsti grijača žica otpornosti je namotana oko keramičke jezgre, obično izrađena od zbijenog magnezijevog oksida. Dostupne su i pravokutne konfiguracije u kojima žice otpornosti prolaze tri do pet puta duž duljine uloška. Žica otpora ili grijaći element nalazi se u blizini zida materijala za omotače kako bi se maksimizirala prijenos topline. Za zaštitu unutarnjih komponenti, omotač se obično izrađuje od korozije - otpornog materijala, poput nehrđajućeg čelika. Olovnici su obično fleksibilni, s oba terminala smještena na jednom kraju uloška. Grijači uloška koriste se za grijanje plijesni, grijanje tekućine (grijanje uranjanja) i grijanje površine.

Tubularni grijači: Tubularni grijači imaju istu unutarnju strukturu kao grijači uložaka. Glavna razlika od grijača uloška je u tome što su olovni terminali smješteni na svakom kraju cijevi. Čitava cjevasta struktura može se saviti u različite oblike kako bi odgovarala željenoj raspodjeli topline prostora ili površine koja se zagrijava. Uz to, ti grijači mogu imati peraje mehanički vezan na površinu omotača kako bi se pomoglo u učinkovitom prijenosu topline. Tubularni grijači jednako su svestrani kao grijači uložaka i koriste se u sličnim aplikacijama.

Grijači traka: Ovi grijači dizajnirani su tako da se omotaju oko cilindričnih metalnih površina ili posuda, poput cijevi, bačvi, bubnjeva i ekstrudera. Sadrže vijak - na karticama za zaključavanje koji se čvrsto stežu na površini posude. Grijač je tanka, otporna žica ili vrpca, obično izolirana s sljubom. Omotač je izrađen od nehrđajućeg čelika ili mesinga. Još jedna prednost korištenja grijača pojasa je ta što neizravno zagrijava tekućinu unutar posude. To znači da grijač ne podliježe nikakvom kemijskom napadu iz procesne tekućine. To također sprječava potencijalne požare kada se koriste u usluzi nafte i maziva.

Strip grijači: Ovi grijači su ravni, pravokutni i pričvršćeni na površinu kako bi se zagrijavali. Njihova unutarnja konstrukcija slična je onoj grijača pojasa. Međutim, izolacijski materijal, osim sljube, može biti keramički, poput magnezijevog oksida i stakloplastike. Tipične uporabe grijača pojasa su površinsko grijanje za kalupe, matrice, ploče, spremnici, cijevi i slično. Osim površinskog grijanja, oni se mogu koristiti i za grijanje zraka ili tekućine tako što imaju penanu površinu. Grijači od peraja nalaze se u pećnicama i grijačima prostora.

Otkazani grijači od folije: urezani grijači folije također se nazivaju tanki - grijači filmova. U ovoj se vrsti otporni materijal za grijanje urezuje i veže na foliju, obično izrađen od aluminija. Ako je potrebna veća fleksibilnost i otpornost na suze, supstrat se također može napraviti od topline - rezistentna sintetička guma ili termoplastični poliuretan (TPU). Uobičajeni fleksibilni grijači poput filma za grijanje kućnih ljubimaca, FPC grijanja filma i silikonskih grijača često koriste utisane grijače od folije. Osim fleksibilnosti, još jedna prednost je tijesan razmak grijaćih elemenata, urođena prednost fotokemijskog jetkanja. Čak i u tako malom faktoru oblika, može se postići raspodjela topline s većom toplinskom gustoćom. U usporedbi s tradicionalnim žičanim grijačima, njegove su aplikacije specijaliziranije. Otkazani grijači folije obično se koriste u medicinskim uređajima, elektronini i instrumentima, zrakoplovnim i odjeći. Jedna strana može se obložiti ljepljivim slojem za jednostavnu instalaciju.

Keramički grijači: Ovi grijači koriste keramiku s visokom točkom taljenja, visokom toplinskom stabilnošću, visokom - temperaturnom čvrstoćom, visokom relativnom kemijskom inertošću i niskim toplinskim kapacitetom. Imajte na umu da se to razlikuje od keramike koja se koristi kao izolacijski materijal. Zbog svoje izvrsne toplinske vodljivosti, oni se koriste za provođenje i distribuciju topline od grijaćeg elementa. Značajni keramički grijači uključuju silicij nitrid i aluminijski nitrid. Oni se često koriste za brzo grijanje, kao što se vidi kod sjajnih čepova i paljenja. Međutim, kada je podvrgnut brzim, visokim - ciklusima zagrijavanja i hlađenja temperature, materijal je osjetljiv na pucanje zbog umora uzrokovanog toplinskim naponom. Posebna vrsta keramičkog grijača je PTC keramika. Ova vrsta self - regulira njegovu potrošnju energije, sprječavajući je da postane crvena vruća.

Keramički grijač vlakana: U ovoj vrsti grijača, keramičko vlakno djeluje kao izolator, koncentrirajući toplinu na površini koja će se zagrijavati kako bi se spriječilo gubitke sustava. Žica otpora namotana je oko jedne strane prostirke od keramičkih vlakana. Ova je strana vezana na površinu koja se može zagrijati do 1200 stupnjeva.

Zaključak:
Element grijanja je materijal ili uređaj koji električnu energiju pretvara izravno u toplinu ili toplinsku energiju kroz princip poznat kao Joule grijanje.
Najvažnija svojstva zagrijavanja su odgovarajuća otpornost, visoka otpornost na oksidaciju, koeficijent niske temperature otpornosti, visoku žilavost i visoku talicu.
Uobičajeno korišteni elementi grijanja uključuju nikl - frojske legure, željezo - Chromium - aluminijske legure, molibdenski disilicid i silikonski karbid. Popularni su i drugi vatrostalni metali, koji obično imaju visoku stopu oksidacije.
Pored grijaćeg elementa, grijač uključuje i terminale, potencijale, izolaciju, punila, omotače i brtve. Ovi grijači dolaze u različitim oblicima i konfiguracijama kako bi odgovarali određenim aplikacijama.
Tipične specifikacije naručivanja grijača uključuju snagu ili snagu, maksimalnu radnu temperaturu, vrstu procesne tekućine, materijal za omotač i napajanje (napon i frekvencija).