Нагревательный элемент - Heating element

Символ 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

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

Металл

Резистивный провод: Металлические резистивные нагревательные элементы 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. К наиболее распространенным классам используемых материалов относятся:

  • Нихром : в большинстве резистивных проволочных нагревательных элементов обычно 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.
  • Канталовая (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 авиакосмическая промышленность.

Керамика и полупроводник

Толстопленочные нагреватели

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 потреблением энергии, высокой удельной мощностью и широким диапазоном совместимости по напряжению. 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. Шаблоны толстопленочного нагревателя легко настраиваются в зависимости от сопротивления листа напечатанной пасты резистора.

Эти нагреватели могут быть напечатаны на различных подложках, включая металл, керамику, стекло, полимер, с использованием толстопленочных паст, содержащих металл / сплав. Наиболее распространенными материалами для печати толстопленочных нагревателей являются алюминий 6061-T6, нержавеющая сталь и листы слюды мусковита или флогопита . Области применения и рабочие характеристики этих нагревателей сильно различаются 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, подогреватели, 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, конструкцию схемы можно оптимизировать, изменив локализованную плотность 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 разной 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, нагреватели типа NTC обычно требуют термостата или термопары 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

Гибкий нагреватель PTC из токопроводящей резины

Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из проводящих резиновых материалов PTC, где удельное сопротивление экспоненциально возрастает с повышением температуры. 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. Типичная 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

Электродный котел

Композитные нагревательные элементы

Трубчатый нагревательный элемент
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, концы снабжены полосками из изоляционного материала, такого как керамика или силиконовый каучук, или их комбинации. Трубка протягивается через фильеру для сжатия порошка и максимальной теплопередачи. Это может быть прямой стержень (как в тостерах ) или изогнутый, 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. Они обычно 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 свести к минимуму производимый видимый свет; трубчатая форма бывает разных форматов:
    • Золотое покрытие - прославлен запатентованной лампой Phillips Helen. На внутренней стороне нанесена золотая дихроичная пленка, которая уменьшает видимый свет и пропускает большую часть коротких и средних волн инфракрасного излучения. В основном для обогрева людей. Ряд производителей сейчас производят эти лампы, 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 трубку, запечатанную с одного конца, этот тип элемента позволяет заменять или ремонтировать без нарушения процесса, обычно нагрева жидкости под давлением.

Комбинированные системы нагревательных элементов

Смотрите также

Рекомендации