Электрические нагреватели — это приборы, которые преобразуют электрический ток в тепловую энергию. Мощность нагревательного элемента - это физическая величина, которая определяет скорость и количество преобразования электроэнергии в тепло.
Электрический ток может превращаться в разные виды энергии: механическую, световую, тепловую и другие. Но чаще всего он преобразуется именно в тепло. Это и делают электрические нагреватели. Они делятся на резистивные, индукционные и высокочастотные преобразователи.
Резистивные нагревательные элементы делают из сплавов с высоким удельным сопротивлением. Если на участке электрической цепи нет потребления тока, то вся энергия идёт на нагрев проводов. Если же на участке цепи стоит устройство, то количество выделенной тепловой энергии 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 резистивную проволоку, изготовленную из сплава никеля и хрома. Она обладает высоким электрическим сопротивлением и способна выдерживать высокие температуры. Такие нагреватели применяются в тех случаях, когда другие типы нагревателей не могут справиться с высокими температурными нагрузками.
Материал нагревателя
Нагреватель состоит из элементов периодической таблицы, которые обладают металлическими свойствами и высокой тепловой и электропроводностью. В современной электротехнике выделяют два типа резистивных нагревателей: открытые и закрытые.
Открытые нагреватели представляют собой электрические тепловыделяющие приборы, выполненные на основе проволочной нихромовой спирали с большим сопротивлением. Проволока изготавливается из материала, содержащего железо или сплав никеля и хрома (80% и 20% соответственно).
К примерам хромоникелевых сплавов относятся марки Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °C), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °C). Эти сплавы обладают хорошей жаропрочностью и жаростойкостью, что позволяет им работать при высоких температурах.
На поверхности нихромовой спирали создаётся плёнка из оксида хрома, которая повышает жаропрочность материала. Плёнка плавится при более высоких температурах, чем сплав спирали, и не растрескивается при изменении нагрева проволоки.
Нагреватель из нихромовой спирали — это устройство, используемое для изготовления электрических нагревателей. В качестве термической поверхности применяются нихромовые спирали из-за их положительных характеристик: высокой пластичности, большого удельного сопротивления, отличной жаростойкости сплавов никеля с хромом и небольшого теплового коэффициента сопротивления.
Материалы нагревательных элементов из никелево-хромового сплава в указанных пропорциях являются оптимальными для изготовления спиралей. Они обладают высокой температурой плавления (1400 °C), не окисляются даже при сильном разогреве, имеют небольшой коэффициент расширения и почти стабильное сопротивление (отклонение порядка 10% от номинала).
При протекании тока по нихромовой спирали электрическая энергия преобразуется в тепловую и отдаёт тепло через конвекцию или инфракрасное излучение. Однако недостатком является отсутствие изоляции нагревающего провода от внешней среды, что может привести к удару током или возникновению пожара, а также к выжиганию кислорода.
Конструкция негерметичной закрытой формы состоит из проволочной спирали, помещённой в изолятор. Изолятор обычно представляет собой керамические бусы, которые сохраняют гибкость спирали при механических нагрузках и защищают от поражения током. Однако механическая прочность материала бус недостаточно велика, поэтому при установке обогревателей с открытой спиралью необходимо принимать все меры предосторожности, чтобы избежать тяжёлых последствий.
Средой применения нихромовой спирали открытого типа обычно является открытая воздушная сфера или инертные газы.
Трубчатый нагреватель
Герметичные трубчатые нагревательные элементы состоят из нихромовой спирали, которая помещена в металлический кожух. Кожух может быть изготовлен из нержавеющей стали, инколоя или сплава меди. Обычно кожух имеет форму двух кольцевых чашек.
Чтобы предотвратить контакт нихромовой спирали с металлической поверхностью кожуха, пространство между ними заполняется спрессованным изолирующим порошком магнезии. Этот порошок служит теплоизолятором и защищает нагревательный элемент от воздействия окружающей среды.
Благодаря такой конструкции, герметичные трубчатые нагреватели широко используются в установках, работающих в агрессивных средах. Они способны выдерживать высокие температуры, достигающие более 500 градусов Цельсия.
Края нагревательного элемента покрыты керамической или силиконовой резиной, чтобы предотвратить попадание влаги в гигроскопичную изоляцию. Это обеспечивает дополнительную защиту и продлевает срок службы нагревателя.
Герметичные трубчатые нагреватели имеют жёсткую, механически устойчивую и ударопрочную конструкцию, которая выдерживает высокие вибрации. Они также обладают гораздо большим сроком службы по сравнению с открытыми нагревателями.
Однако у герметичных трубчатых нагревателей есть и недостаток — их скорость нагрева и эффективность преобразования энергии значительно ниже, чем у открытых нагревателей.
Такие нагреватели могут использоваться в различных рабочих средах, включая газы и жидкости. При этом среда может быть неподвижной или находиться в сильно хаотичном движении.
Для повышения эффективности нагревательных элементов можно улучшить теплопередачу от нагревательных элементов, заполненных воздухом. К ним крепятся металлические нервюры в виде скрученных лент.
Нагревательные элементы, работающие в жидкой среде, называются погружными нагревателями. Они используются для быстрого и эффективного нагрева жидкостей без риска ожога или поражения электрическим током. К таким жидкостям относятся гальванические растворы, слабые кислоты, различные масла и вода различной жёсткости.
Погружные нагревательные элементы эффективно применяются в различных технологических приложениях, таких как масляные радиаторы, водонагреватели и радиаторы для воды различной жёсткости. Однако при использовании воды, содержащей различные примеси, на корпусе теплообменника могут образовываться отложения, что приводит к снижению теплопередачи и риску перегрева элемента и перегорания внутренних змеевиков.
Чтобы избежать этого эффекта, необходимо регулярно очищать поверхности нагревательных элементов с помощью различных химических средств.
**Область применения:** электрические духовки, тепловые пушки, тостеры, кофеварки, водонагреватели и другие устройства, где требуется нагрев.
Керамические нагреватели
Нагревательные элементы на керамике имеют ряд преимуществ по сравнению с проволочными. Они служат дольше и обеспечивают более равномерный нагрев.
Керамические нагреватели — это элементы сопротивления из керамики, которые выделяют тепло при прохождении через них электрического тока. В отличие от проволочных нагревателей, которые со временем перегорают и перестают выделять тепло, а также могут вызвать пожар при контакте с легковоспламеняющимися материалами, керамические обогреватели более безопасны и эффективны.
Главное преимущество керамических обогревателей — равномерное распределение тепла. Это позволяет более экономно использовать вырабатываемое тепло, применяя его по мере необходимости и без потерь электроэнергии. Керамический нагреватель способен выдержать десятки тысяч циклов нагрева и охлаждения без растрескивания или разрушения, в то время как нихромовая спираль обычно становится хрупкой после нескольких циклов нагрева.
Особенно 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. Это означает, что сопротивление возрастает при повышении температуры.
Такое соотношение позволяет организовать работу нагревателя с установленным термостатом. Максимальное значение тока получается при холодном нагревателе и минимальное — при горячем. При понижении температуры сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока, протекающего через керамический нагревательный элемент, тем самым увеличивая его нагрев. В обратном направлении изменение сопротивления происходит с повышением температуры: если нагрев увеличивается, 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 показывает, что керамические обогреватели обладают хорошими техническими характеристиками. Они могут использоваться для выработки регулируемого электрического тепла без устройств регулирования нагрева. Пленки на основе этого материала используются для оттаивания заднего стекла автомобиля или в более дорогих обогревателях.
Вихревой индукционный нагреватель
Индукционные нагревательные элементы работают на основе нагрева токопроводящих материалов с помощью переменного магнитного поля. Этот процесс происходит за счёт индукции вихревых токов в нагреваемом объекте.
Сила тока, протекающего через нагреваемый объект, зависит от нескольких факторов, включая магнитную проницаемость и удельное сопротивление материала, а также от плотности мощности. Однако основным параметром является частота переменного тока в катушке, которая определяет скорость изменения магнитного поля.
Переменное электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в нагреваемом объекте, что приводит к разогреву его верхних слоёв. В результате этого процесса нагревается только посуда, имеющаяся на конфорке, при этом сама конфорка остаётся холодной.
Индукционный нагреватель – это устройство, которое обеспечивает бесконтактный нагрев токопроводящих материалов за счёт электромагнитного поля. Кроме того, высокая частота переменного тока приводит к образованию скин-эффекта, то есть переменный ток вынужден течь в тонком слое по направлению к поверхности. Это вызывает повышение сопротивления проводника и, как следствие, значительное усиление эффекта нагрева.
Интересно отметить, что металлическая посуда нагревается быстрее, чем любая другая. Это происходит потому, что в дополнение к вихревым токам возникает ещё один механизм нагрева – движение магнитных доменов в магнитном поле. Движение доменов в магнитном поле вызывает потери на гистерезис и дополнительно повышает температуру.
Сталь теряет свои магнитные свойства при нагреве выше 700°C, эта точка называется температурой Кюри. При температуре выше 700°C невозможно нагреть материал из-за потерь на гистерезис, поэтому дальнейшее нагревание материала должно осуществляться только за счёт индуцированных вихревых токов.
Индукционные катушки располагаются под керамической поверхностью, которая индуцирует электрический ток в посуде, производя при этом тепло. Керамическая плоскость должна быть достаточно крепкой, чтобы выдерживать интенсивное использование.
Функционирование индукционных нагревателей происходит под постоянным контролем вырабатываемого тепла, то есть регулируется установленным в цепь термостатом. Эти устройства являются наиболее энергоэффективными, так как они нагревают непосредственно посуду, исключая передачу тепла от источника к нагреваемой поверхности через промежуточную среду.
Примером нагревателя индукционного типа могут служить конфорки варочной панели электрической плиты. В процессе работы панель остаётся холодной, нагревается только посуда, которая должна иметь ровное дно с ферромагнитными свойствами, такими как алюминий, жаростойкое стекло или нержавеющий металл.
Высокочастотный нагреватель
Принцип работы высокочастотного нагревателя основан на дипольной поляризации молекул полярного диэлектрика. Дипольная поляризация представляет собой ориентацию диполя по направлению электрического поля. В отсутствие внешнего поля молекулы полярного диэлектрика движутся хаотично и направлены в разные стороны.
Когда на материал воздействует высокочастотное электрическое поле, электростатические силы разворачивают молекулы в направлении силовых линий. Угол поворота молекул зависит от напряжённости используемого поля. В процессе поляризации молекул выделяется теплота за счёт трения между ними. Чем выше частота электромагнитного поля, тем больше выделяется тепловой энергии и тем равномернее происходит нагрев вещества.
Высокочастотный нагреватель — это устройство, которое позволяет равномерно нагревать вещества за счёт направленного перемещения связанных электрических зарядов (поляризации диполей). Этот метод нагрева широко применяется для веществ, содержащих водные растворы с различными солями. В таких растворах молекулы распадаются на ионы, которые служат носителями электрических зарядов и дополнительно увеличивают количество выделяемой теплоты.
Материалы, в которых поляризация молекул незначительна и электропроводность практически отсутствует, не нагреваются электромагнитным полем. К таким материалам относятся фарфор, стекло, фаянс, полимеры, воздух и инертные газы.
Высокочастотные нагреватели преобразуют электрическую энергию в тепловую, используя принцип нагрева материалов переменным во времени электрическим полем. В отличие от других типов нагревателей, тепло в высокочастотном нагревателе передаётся нагреваемому телу объёмно и может быть распределено неравномерно.
Частота электромагнитного поля определяет глубину проникновения этого поля в толщину прогреваемого объекта. 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 прогревается объект.
Примером высокочастотного нагревателя с частотой порядка 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 это экономичные и эффективные устройства, которые обеспечивают равномерный тепловой поток. Они изготовлены по микроэлектронной технологии и объединяют в себе преимущества проволочных и керамических нагревателей, избавляясь от некоторых их недостатков.
Характеристики нагревательных элементов делают их идеальными для использования в высокотехнологичных продуктах, где классические нагреватели могут не обеспечить нужный результат. Они защищены от поражения электрическим током, имеют низкий коэффициент тепловых потерь и высокий КПД. Благодаря этому, они обеспечивают равномерный нагрев по всей площади термоэлемента.
Кроме того, эти нагреватели обладают высокой устойчивостью к вибрации и имеют низкую инерцию нагрева, что позволяет использовать их в системах, где требуется быстрый и точный нагрев.
Более подробную информацию о характеристиках и применении этих нагревательных элементов можно найти в разделе «НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ».
| Нагревательные элементы | Плоские нагреватели | Гибкие нагреватели | Заказать нагреватель |