Электрические нагреватели представляют собой устройства, которые преобразуют электрический ток в тепло.
Мощность нагревательного элемента — это физическая величина, характеризующая скорость и количество энергии, которая превращается из электрической в тепловую.
Электрический ток способен преобразовываться в различные виды энергии: механическую, световую, тепловую и другие. Однако чаще всего он преобразуется именно в тепло, что и делают электрические нагреватели.
Существует несколько типов таких устройств: резистивные, индукционные и высокочастотные.
Резистивные нагревательные элементы изготавливаются из сплавов с высоким удельным сопротивлением. Если на участке электрической цепи нет сопротивления, то вся энергия уходит на нагрев проводов. Однако если на этом участке присутствует резистивный элемент, то количество выделяемого тепла можно рассчитать по 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 с нихромовой спиралью представляет собой резистивный провод, изготовленный из сплава никеля и хрома. Этот материал отличается высоким электрическим сопротивлением и способностью выдерживать значительные температурные нагрузки. Нагреватели с нихромовыми спиралями применяются в случаях, когда другие типы нагревателей не могут обеспечить нужный уровень нагрева.
Материал нагревателя
В современных электротехнических устройствах можно встретить два основных типа резистивных нагревателей: открытые и закрытые.
Открытые нагреватели представляют собой электрические тепловыделяющие приборы, в основе которых лежит нихромовая спираль из проволоки с высоким сопротивлением. Эта проволока изготавливается из особого материала, содержащего железо или сплав никеля и хрома в пропорции 80% и 20% соответственно.
К числу хромоникелевых сплавов относятся марки Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °C), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °C). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью и жаростойкостью, что позволяет им эффективно работать при высоких температурах.
На поверхности нихромовой спирали формируется плёнка из оксида хрома, которая дополнительно усиливает жаропрочность материала. Эта плёнка размягчается при более высоких температурах, чем сплав спирали, и остается устойчивой к изменениям нагрева проволоки.
Нихромовая спираль является оптимальным материалом для создания нагреваемой поверхности благодаря своим уникальным преимуществам:
♦ - высокая пластичность;
♦ - большое удельное сопротивление;
♦ - отличная жаростойкость сплавов никеля с хромом;
♦ – низкий тепловой коэффициент сопротивления.
Материалы нагревательных элементов из никелево-хромового сплава в заданных пропорциях представляют собой идеальный выбор для изготовления спиралей. Они обладают высокой температурой плавления (1400 °C), не окисляются даже при интенсивном нагреве, имеют небольшой коэффициент расширения и почти постоянное сопротивление (отклонение составляет около 10% от номинального значения).
При прохождении тока через нихромовую спираль электрическая энергия преобразуется в тепло и передается через конвекцию или инфракрасное излучение. Однако у таких устройств есть один существенный недостаток — нагревательный провод остается незащищенным от внешней среды, что может привести к поражению электрическим током, пожару или выжиганию кислорода.
Устройство открытого типа состоит из проволочной спирали, заключенной в изолятор. Этот изолятор обычно представляет собой керамические бусинки, которые сохраняют форму спирали при механических воздействиях и обеспечивают защиту от поражения электрическим током. Однако механическая прочность материала бус не является высокой, поэтому при установке обогревателей с открытой спиралью необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы избежать серьезных последствий.
Открытые нихромовые спирали обычно используются в воздушной среде или в инертных газах.
Трубчатый нагреватель
В основе конструкции герметичных трубчатых нагревательных элементов лежит нихромовая спираль, заключённая в металлический кожух. Этот кожух может быть выполнен из различных материалов, включая антикоррозийную сталь, инколой или сплав меди, и обычно имеет форму двух кольцевых чашек.
Чтобы предотвратить соприкосновение нихромовой спирали с металлической поверхностью кожуха, пространство между ними заполняется уплотнённым изолирующим материалом — магнезией. Этот материал служит теплоизолятором и надёжно защищает нагревательный элемент от окружающей среды.
Благодаря своей конструкции герметичные трубчатые нагреватели могут использоваться в самых различных условиях, включая высокие температуры, достигающие более 500 градусов Цельсия.
Края нагревательного элемента могут быть покрыты керамической или силиконовой резиной, что предотвращает попадание влаги в изоляцию. Это обеспечивает дополнительную защиту и значительно продлевает срок службы нагревателя.
Герметичные трубчатые нагреватели обладают прочной и надёжной конструкцией, способной выдерживать сильные вибрации. Они также отличаются более длительным сроком службы по сравнению с открытыми нагревателями.
Однако у герметичных трубчатых нагревателей есть и недостаток — скорость нагрева и эффективность преобразования энергии ниже, чем у открытых аналогов.
Эти нагреватели могут использоваться в различных средах, включая газы и жидкости, как в неподвижных, так и в быстро перемещающихся условиях.
Для улучшения производительности нагревательных элементов можно повысить эффективность теплопередачи, добавив металлические рёбра в виде скрученных лент.
Нагревательные элементы, предназначенные для работы в жидкой среде, называются погружными нагревателями. Они обеспечивают быстрый и интенсивный нагрев жидкостей, не создавая опасности получения ожогов или поражения электрическим током. К таким жидкостям относятся гальванические растворы, слабые кислоты, различные масла и вода различной жёсткости.
Погружные нагревательные элементы находят широкое применение в различных технологических решениях, включая масляные радиаторы, водонагреватели и радиаторы для воды различной жёсткости. Однако при использовании воды с загрязнениями на поверхности теплообменника могут образовываться отложения, что может привести к снижению теплопередачи, перегреву элемента и даже перегоранию внутренних змеевиков.
Чтобы избежать этого, необходимо регулярно очищать поверхности нагревательных элементов с использованием специальных химических средств.
Эти нагревательные элементы могут быть использованы в электрических печах, тепловых генераторах, тостерах, кофеварках, водонагревателях и других устройствах, где требуется нагрев.
Керамические нагреватели
Нагревательные элементы на керамике обладают рядом неоспоримых преимуществ перед своими проволочными аналогами. Они отличаются более продолжительным сроком службы и обеспечивают равномерный нагрев, что делает их особенно привлекательными для различных применений.
Керамические нагреватели представляют собой компоненты сопротивления, изготовленные из керамики. При прохождении через них электрического тока они генерируют тепло. В отличие от проволочных нагревателей, которые со временем перегорают и перестают выделять тепло, а также могут стать причиной возгорания при контакте с легковоспламеняющимися материалами, керамические нагреватели являются более безопасными и эффективными.
Одним из главных преимуществ керамических нагревателей является их равномерное распределение тепла. Это позволяет более эффективно использовать вырабатываемое тепло, используя его по мере необходимости без потерь электроэнергии. Керамические нагреватели способны выдерживать десятки тысяч циклов нагрева и охлаждения без разрушения или растрескивания, в то время как нихромовые спирали часто ломаются уже после нескольких циклов.
Керамические нагревательные поверхности, изготовленные с использованием положительного температурного коэффициента (ПТК), отличаются повышенной устойчивостью к нагрузкам и высокой эффективностью.
Электрические нагреватели с ПТК изготавливаются из керамики (титаната бария или композита титаната свинца), которая обладает сильной нелинейной тепловой зависимостью. Это означает, что сопротивление таких нагревателей увеличивается с повышением температуры.
Такое соотношение позволяет эффективно управлять работой нагревателя с установленным термостатом. Пиковые значения тока достигаются при холодном состоянии нагревателя, а минимальные — при горячем. При понижении температуры сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока, проходящего через керамический нагревательный элемент, и, как следствие, к его нагреву. При повышении температуры происходит обратное: сопротивление увеличивается, ограничивая ток и охлаждая устройство.
В конце концов, потребляемая мощность устройства стабилизируется и не зависит от подаваемого напряжения.
Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей демонстрирует, что керамические нагреватели обладают высокими техническими характеристиками. Они могут быть использованы для генерации регулируемого тепловыделения без дополнительных устройств управления нагревом.
Вихревой индукционный нагреватель
Индукционные нагревательные элементы — это уникальные устройства, которые обеспечивают бесконтактный нагрев токопроводящих материалов с помощью переменного магнитного поля. Этот процесс происходит благодаря индукции вихревых токов в нагреваемой поверхности.
Сила тока, протекающего через нагреваемый объект, зависит от множества факторов, таких как магнитная проницаемость, удельное сопротивление материала и плотность мощности. Однако ключевым параметром является частота переменного тока в катушке, которая определяет скорость изменения магнитного поля.
Переменное электромагнитное поле создает вихревые токи в нагреваемом объекте, что приводит к повышению температуры его верхних слоев. В результате нагревается только посуда, расположенная на конфорке, в то время как сама конфорка остается холодной.
Индукционный нагреватель представляет собой устройство, способное бесконтактно нагревать токопроводящие материалы с помощью электромагнитного поля. Высокая частота переменного тока способствует возникновению скин-эффекта, когда ток вынужден течь в тонком слое в направлении поверхности. Это увеличивает сопротивление проводника и, как следствие, значительно усиливает эффект нагрева.
Следует отметить, что металлическая посуда нагревается быстрее, чем любая другая. Это связано с тем, что помимо вихревых токов возникает еще один механизм нагрева — движение магнитных доменов в магнитном поле. Движение доменов в магнитном поле вызывает потери на гистерезис, что дополнительно повышает температуру.
Сталь теряет свои магнитные свойства при температуре выше 700 °C, эта точка называется температурой Кюри. При нагреве материала выше 700 °C из-за потерь на гистерезис его дальнейший нагрев должен осуществляться только за счет индуцированных вихревых токов.
Индукционные катушки расположены под керамической поверхностью, которая индуцирует ток в посуде, выделяя тепло. Керамическая поверхность должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать интенсивное использование.
Работа индукционных нагревателей контролируется автоматическим термостатом. Эти устройства являются наиболее экономичными, так как они нагревают непосредственно посуду, не передавая тепло от источника к нагреваемой поверхности через промежуточную среду.
Примером индукционного нагревателя может служить конфорка электрической плиты. Во время работы панель остается холодной, нагревается только посуда, которая должна иметь плоское дно с магнитной активностью, например, из жаропрочного стекла или нержавеющей стали.
Высокочастотный нагреватель
Высокочастотный нагреватель функционирует на основе дипольной поляризации молекул полярного диэлектрика. Дипольная поляризация — это процесс, при котором молекулы ориентируются в направлении электрического поля. В отсутствие внешнего поля молекулы полярного диэлектрика движутся хаотично и расположены в разных направлениях.
Когда на материал воздействует высокочастотное электрическое поле, электростатические силы заставляют молекулы выстраиваться вдоль силовых линий. Угол, под которым ориентируются молекулы, зависит от напряжённости используемого поля. В процессе поляризации возникает тепло, образующееся из-за трения между молекулами. Чем выше частота электромагнитного поля, тем больше выделяется тепловой энергии и тем равномернее происходит нагрев вещества.
Высокочастотный нагреватель представляет собой устройство, способное равномерно нагревать вещество благодаря направленному движению заряженных частиц, то есть поляризации диполей. Этот метод нагрева активно применяется для материалов, содержащих водные растворы с различными солями. В таких растворах молекулы распадаются на ионы, которые переносят электрический заряд и дополнительно усиливают выделение тепла.
Материалы, в которых поляризация молекул незначительна и проводимость практически отсутствует, не нагреваются под воздействием электромагнитного поля. К таким материалам относятся стекло, керамика, полимеры, воздух и инертные газы.
Высокочастотные нагреватели преобразуют электрическую энергию в тепловую, воздействуя на материал переменным электрическим полем. В отличие от других типов нагревателей, в высокочастотном нагревателе тепло передаётся материалу объёмно и может распределяться неравномерно.
Частота электромагнитного поля определяет глубину проникновения энергии в нагреваемое вещество. Чем выше частота (диапазон от 0,4 до 10 ГГц), тем меньше глубина проникновения, и наоборот, чем ниже частота (диапазон от 10 до 100 кГц), тем глубже и равномернее происходит нагрев.
Примером высокочастотного нагревателя с частотой около 2450 МГц может служить микроволновая печь. Она обеспечивает быстрое приготовление пищи и размораживание продуктов.
Электрические нагреватели, на базе токопроводящей пасты
Электрические нагреватели, на базе токопроводящей пасты, представляют собой инновационные устройства, которые отличаются высокой эффективностью и экономичностью. Они разработаны по микроэлектронной технологии, что позволяет им сочетать в себе преимущества как проволочных, так и керамических нагревателей, устраняя их недостатки.
Характеристики нагревательных элементов показывают что они идеально подходят для применения в современных продуктах, где традиционные нагреватели могут не обеспечить требуемый результат. Они надежно защищены от поражения электрическим током, обладают низким коэффициентом тепловых потерь и высоким КПД, что гарантирует равномерный нагрев по всей поверхности.
Кроме того, эти нагреватели обладают высокой устойчивостью к вибрации и обладают низкой инерцией нагрева, что позволяет использовать их в системах, где требуется быстрый и точный нагрев.
Более подробную информацию о характеристиках и сферах применения этих нагревательных элементов можно найти в разделе «Нагревательные элементы».
| Нагревательные элементы | Плоские нагреватели | Гибкие нагреватели | Заказать нагреватель |