Электрические нагреватели это тепловыделяющие приборы, работающие сообразно принципу преобразования электротока в тепловую энергию. Мощность нагревательного элемента это физическая величина, которая определяет скорость и количество преобразования электрической энергии в тепловую энергию. Энергия электрического тока в зависимости от преобразования его электрическим устройством может превращаться в другие различные виды: механическую, световую, тепловую и т.д. Преобразование электроэнергии в тепловую энергию производят электрические нагреватели. По виду они делятся на резистивные, индукционные, высокочастотные преобразователи. Резистивные нагревательные элементы делаются из разных сплавов имеющих огромное удельное сопротивление. Ежели на некотором участке электрической цепи нет потребления, то вся энергия тока идёт на нагрев подводящих проводов. Если же на участке цепи поставить некоторое устройство, то выделенная им тепловая энергия рассчитывается сообразно формуле:
Q = I2 * R * t
Где:
♦ Q – количество выделенной теплоты (Дж);
♦ I2 – сила тока в цепи (А);
♦ R- сопротивление нагревательного прибора (Ом);
♦ t – время (с).
Нагреватель нихромовая спираль
Нагреватель нихромовая спираль это резистивная проволока из сплава никеля и хрома, имеющая большое электрическое сопротивление. Применяется там, где требуется высокая температура нагрева и где другие виды нагревателей не выдерживают высокотемпературных нагрузок.
Материал нагревателя
Материал нагревателя состоит из элементов периодической таблицы, имеющие выраженные металлические свойства и обладающие высокой тепловой и электропроводностью. На современном этапе развития электротехники различают следующие типы резистивных нагревателей: открытые, закрытые. В свою очередь закрытые производятся в форме герметичных и негерметичных конструкций. Электрические нагреватели открытого типа, являющиеся электрическими, тепловыделяющими приборами выполнены, как правило, на основе проволочной нихромовой спирали, имеющей большое сопротивление. Проволока изготавливается из материала на базе железа или сплава никеля и хрома в соотношении (80% и 20%). К образцам хромоникелевых сплавов можно отнести марки: Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С). Данные сплавы имеют хорошие характеристики по жаропрочности и жаростойкости и способны работать при больших температурах. Высокой жаропрочности материала нагревателя способствует пленка, созданная на поверхности спирали из оксида хрома. Плавление данной плёнки происходит при температурах, которые выше чем у сплава спирали и она не подвержена растрескиванию при изменении нагрева проволоки. Нагреватель нихромовая спираль – устройство, используемое для изготовления электрических нагревателей. Применение нихромовых спиралей в качестве термической поверхности вызвано рядом положительных характеристик присущих сплавам, из которых они сделаны: высокой пластичностью; большим удельным сопротивлением; отличной степенью жаростойкости сплавов никеля с хромом; небольшим тепловым коэффициентом сопротивления. Материалы нагревательных элементов из никелево - хромового сплава в указанных пропорциях являются наиболее оптимальным для изготовления спиралей. Они имеют высокую температуру плавления (1400° C), не окисляется даже при сильном разогреве, обладают небольшим коэффициентом расширения и почти стабильным сопротивлением (отклонение порядка 10% от номинала). При протекании тока по нихромовой спирали электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию и отдаёт тепло посредством конвекции или инфракрасным излучением. Основным недостатком является отсутствие изоляции нагревающего провода от внешней среды, что может привести к удару током либо возникновению пожара, а также к выжиганию кислорода.
Конструкция негерметичной закрытой формы представляет собой проволочную спираль, помещённую в изолятор. Изолятор, как правило, применяется в форме керамических бус позволяющих сохранять гибкость спирали при механических нагрузках и защищает от поражения током. К недостатку такой конструкции относится то, что механическая прочность материала, из которого изготовлены бусы, недостаточно велика. Поэтому следует учитывать эти минусы при установке обогревателей с открытой спиралью и принимать все меры предосторожности с целью устранения тяжёлых последствий. Средой применения нихромовой спирали открытого типа является, как правило, открытая воздушная сфера или инертные газы.
Трубчатый нагреватель
Трубчатый нагреватель в закрытом герметичном виде выполнен в виде нихромовой спирали, которая размещена в металлическом корпусе (из нержавеющей стали, сплавов типа инколоя или меди), который состоит из двух кольцевых чашек. Корпус обычно изготавливается из нержавеющей, углеродистой или тугоплавкой стали, заполненной сжатым изолирующим порошком магнезии, который отделяет нихромовую спираль, через которую ток течет от металлической поверхности корпуса. Виды нагревательных элементов, защищенные от окружающего эфира, широко используются в установках, работающих в агрессивной среде. Трубчатый нагреватель представляет собой тепловыделяющее устройство, конструктивно представляющее собой электрическую спираль, помещенную в металлическую трубку и спрессованную с теплопроводной изоляцией. Температура нагрева может достигать 500 ° C и выше. Чтобы влага не попадала в гигроскопичную изоляцию, концы нагревательных элементов покрывают керамической или силиконовой резиной. Такие формы защищают от случайного поражения электрическим током и имеют жесткую конструкцию, устойчивую к механическим воздействиям, способны работать при высоких вибрациях, срок службы несравнимо больше, чем у открытого нагревателя. Недостатком является то, что скорость нагрева и эффективность преобразования энергии намного ниже, чем у открытого обзора. Рабочая среда этого типа - различные газы или жидкости. Причем эти среды могут быть как в спокойном состоянии, так и в сильном хаотичном движении. Повышенная эффективность нагревательных элементов может быть достигнута за счет улучшения теплопередачи от нагревательных элементов, работающих в воздушной среде; к нему прикреплены металлические нервюры в виде скрученной ленты. Нагревательные элементы, работающие в жидкой среде, называются погружными нагревателями. Они используются там, где необходимо быстро и эффективно повысить температуру жидкости без риска ожога или поражения электрическим током. Эти жидкости включают химические растворы из гальванических ванн, слабые кислоты, различные масла и воду разной жесткости. Погружные нагревательные элементы продуктивно используются в технологических системах, таких как масляные радиаторы, бойлеры для водонагревателей и титановые для кипячения воды. Особенностью применения является то, что при использовании в воде, содержащей различные примеси, на корпусе теплообменника могут появляться отложения. Это может привести к снижению теплоотдачи, что в свою очередь приводит к перегреву элемента и выгоранию змеевика внутри. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо периодически очищать поверхность ТЭНа с помощью различных химикатов. Область применения: электрические духовки; тепловые пушки; тостер; кофеварки; водонагреватели и др.
Керамические нагреватели
Нагревательные элементы на керамике во многих отношениях предпочтительнее проволочных. Обычно они служат дольше и обеспечивают более равномерное нагревание, чем открытая нихромовая спираль. Керамические нагреватели - это керамические элементы сопротивления, которые выделяют тепло при протекании через них электрического тока. Проводные теплогенерирующие поверхности в конечном итоге перегорят и перестанут выделять тепло, а если они вступят в контакт с легковоспламеняющимися материалами, они потенциально могут вызвать пожар. Главное преимущество керамических обогревателей в том, что они более равномерно распределяют тепло. Это позволяет более экономно использовать вырабатываемое тепло, применяя его по мере необходимости и без потерь электроэнергии. Керамический нагреватель может выдержать десятки тысяч циклов нагрева и охлаждения без возможности растрескивания или разрушения, в то время как змеевик из нихрома обычно становится хрупким после нескольких циклов нагрева. Особо устойчивы к нагрузкам и более экономичны керамические тепловыделяющие поверхности, изготовленные с применением положительного температурного коэффициента.
Электрические нагреватели с положительным температурным коэффициентом (ПТК) производятся на основе керамики (титаната бария или композита титаната свинца) которые имеют сильную нелинейную тепловую зависимость, т.е. сопротивление возрастает при повышении температуры. Это соотношение позволяет организовать работу нагревателя с установленным термостатом, так как максимальное значение тока получается при холодном нагревателе и минимальное - при горячем. Это означает, что при понижении температуры сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока, протекающего через керамический нагревательный элемент, тем самым увеличивая его нагрев. Точно так же только в обратном направлении изменение сопротивления происходит с повышением температуры, если нагрев увеличивается, то сопротивление увеличивается, ограничивая прохождение тока через устройство, и поэтому оно охлаждается. Наконец, наступает момент, когда мощность, потребляемая устройством, становится практически постоянной и не зависит от увеличения, подаваемого на него напряжения. Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей показывают, что керамические обогреватели обладают хорошими техническими характеристиками. Плоские электронагреватели, установленные на керамических тепловыделяющих поверхностях, являются отличным выбором для выработки регулируемого электрического тепла без использования устройств регулирования нагрева. Пленки на основе этого материала используются для оттаивания заднего стекла автомобиля или в более дорогих обогревателях.
Вихревой индукционный нагреватель
Электрические нагревательные элементы индукционного типа работают по принципу нагрева токопроводящих материалов током, полученным с помощью переменного магнитного поля. Сила генерируемого тока протекающего через нагреваемый объект зависит от множества факторов включающих магнитную проницаемость и удельное сопротивление материала в сочетании с плотностью мощности. Однако основным параметром является частота переменного тока в катушке а, следовательно, и скорость изменения магнитного поля. Переменное электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в разогреваемом объекте и в результате чего разогреваются его верхние слои. Вихревой индукционный нагреватель – устройство, обеспечивающие за счёт электромагнитного поля бесконтактный нагрев токопроводящих материалов. Кроме того, высокая частота приводит к образованию скин – эффекта, т.е. переменный ток вынужден течь в тонком слое по направлению к поверхности. Это, в свою очередь, приводит к повышению сопротивления проводника, результатом чего становится значительное возрастание эффекта нагрева. Металлическая посуда нагревается быстрее, чем любая другая. Это происходит, потому что в дополнение к вихревым токам возникает ещё один механизм нагрева. Так как кристаллы металла периодически намагничиваются и размагничиваются в переменном магнитном поле, то это приводит к движению магнитных доменов. Движение доменов (макроскопическая область магнитного кристалла) в магнитном поле вызывает потери на гистерезис и дополнительно повышает температуру. Интересно отметить, что сталь теряет свои магнитные свойства при нагревании выше 700° C, эта точка называется температурой Кюри. Это означает что при температуре выше 700° C невозможно никакого нагрева материала из-за потерь на гистерезис. Любое дальнейшее нагревание материала должно быть обусловлено только на основе индуцированных вихревых токов. Индукционные катушки располагаются под керамической поверхностью, индуцируя электрический ток, в посуде производя при этом тепло. Керамическая плоскость должна быть довольно крепкой, чтобы выдерживать интенсивное её использование. Функционирование происходит под постоянным контролем вырабатываемого тепла, т.е. регулируется установленным в цепь термостатом. Эти устройства являются наиболее энергетически эффективными, так как они нагревают непосредственно посуду, исключая передачу тепла от источника к нагреваемой поверхности через промежуточную среду. Одним из примеров нагревателя индукционного типа могут служить конфорки варочной панели электрической плиты. В процессе функционирования панель остаётся холодной нагревается только посуда, которая должна иметь ровное дно, обладающее ферромагнитными свойствами (алюминий, жаростойкое стекло, нержавеющий металл).
Высокочастотный нагреватель
Принцип использования основан на дипольной поляризации молекул полярного диэлектрика. Дипольная поляризация это ориентация диполя по направлению электрического поля. Если внешнего поля нет, то молекулы полярного диэлектрика находятся в состоянии хаотического движения и направлены произвольным образом. При подаче высокочастотного электрического поля электростатические силы разворачивают молекулы по направлению силовых линий, и угол их поворота зависит от напряжённости используемого поля. Процесс поляризации молекул приводит к выделению теплоты за счёт трения возникающего между ними. Чем больше частота электромагнитного поля, тем сильнее происходит выделение тепловой энергии, и тем равномернее разогревается вещество. Высокочастотный нагреватель – установка позволяющая производить равномерный нагрев вещества за счёт направленного перемещения связанных электрических зарядов, то есть эффекта поляризации диполей. Этот метод разогрева широко применяется для тех веществ, в состав которых входят водные растворы, содержащие различные соли. Молекулы данных растворов распадаются на ионы, которые служат носителями электрических зарядов отзывающиеся на изменение магнитного поля и дополнительно повышают количество выделяемой теплоты. Вещества, в которых поляризация молекул имеет небольшое значение, и электропроводимость практически отсутствует, нагрева электромагнитным полем не происходит. К ним относятся такие материалы как: фарфор, стекло, фаянс, полимеры, а также воздух и инертные газы. Высокочастотные нагреватели преобразуют электрическую энергию в тепловую используя принцип нагрева материалов переменным во времени электрическим полем. Отличие данного вида от выше представленных нагревателей заключается в том, что тепло в нём передаётся нагреваемому телу объёмно и, как правило, неоднородно распределено. Чем больше частота (диапазон 0,4 — 10 ГГц.) тем меньше глубина проникновения этого высокочастотного поля в толщину прогреваемого объекта и наоборот чем меньше частота (диапазон 10 — 100 кГц.) тем глубже и равномернее прогревается объект. В первом случае высокочастотный нагреватель является сверхвысокочастотным (СВЧ) во втором преобразователь с равномерным нагревом токами высокой частоты. Простым примером высокочастотного нагревателя (частота порядка 2450 МГц.) служит микроволновая печь, обеспечивающая быстрое приготовление пищи и размораживание продуктов.
Электрические нагреватели на базе токопроводящей пасты
Электрические нагреватели на базе токопроводящей пасты - экономичные изящные теплоотдающие устройства с невысокой инертностью и идеально равномерным тепловым потоком.
Это новый класс нагревательных элементов, на железном основании изготавливаемый сообразно микроэлектронной технологии осуществил в себе главные плюсы проволочных и керамических нагревателей и позволил освободиться от некоторых их недостатков.
Характеристики нагревательных элементов
сделанных сообразно новейшей технологии значительны, что позволяет использовать их там, где классические нагреватели не готовы дать нужный результат при разработке высокотехнической продукции. Имея защиту от удара электрическим током, они имеют невысокий коэффициент тепловых потерь и как результат большой КПД.
Что позволяет создать однородный нагрев по всей площади термоэлемента. Демонстрируют высокую живучесть ко всем видам вибрации. Имеют наименьшую инерцию нагрева, что позволяет применить их в системах, где тепловая инерция играет главную роль при получении окончательного результата.
Наиболее доскональную информацию по характеристикам и использованию можно получить в разделе
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
| Нагревательные элементы | Плоские нагреватели | Гибкие нагреватели | Заказать нагреватель |