Kütteelemendi elektrilise kütteplaadi küttekeha tootmise põhitõed

Mis on kütteelemendid? Kuidas elektroojendid töötavad? Mis tüüpi tooteid on saadaval? Millised küttematerjalid on saadaval? Põhielementide põhitõdedest põhjalik ülevaade.

1. Mis on kütteelemendid?
Kütteelement on materjal või seade, mis teisendab elektrienergia otse soojuse või soojusenergiaks, mida nimetatakse džuulekütteks. Joole kuumutamine on nähtus, milles juht tekitab elektrivoolu voolu tõttu soojust. Kui vool voolab läbi materjali, põrkuvad elektronid või muud laengukandjad juhi ioonide või aatomitega, tekitades aatomiskaalal hõõrdumist. See hõõrumine avaldub siis kuumusena. Joule'i esimene seadus (Joule - Lenz Law) kirjeldab voolu genereeritud soojust. Seda väljendatakse järgmiselt:

P=iv või p=i²r

Nende võrrandite kohaselt sõltub genereeritud soojuse kogus juhi materjali voolu, pinge või takistusest. Vastupanu on kütteelemendi kujundamisel võtmetegur.

Joule küte on ilmne kõigis erineva tugevusega juhtivates materjalides, välja arvatud eriklass, mida tuntakse ülijuhtidena. Üldiselt tekitavad juhtivad materjalid vähem soojust, kuna laengukandjad voolavad nende kaudu kergesti, samas kui kõrge takistusega materjalid tekitavad rohkem soojust. Superjuhid seevastu võimaldavad voolu voolata ilma soojust tekitamata. Üldiselt peetakse juhi soojust energiakaotuseks. Seadme toiteks kasutatav elektrienergia tekitab tarbetut soojust ülekandekadude kujul, mis ei anna lõpuks kasulikku tööd.

Teatud mõttes on elektrilised kütteelemendid ligi 100% tõhusad, kuna kogu tarnitud energia muudetakse selle kavandatud kujuks. Kütteelemendid ei saa mitte ainult soojust korraldada, vaid ka energiat üle kanda valguse ja kiirguse kaudu. Kuid see kehtib ainult osaliselt ideaalsete takistite kohta. Materjali loomupärane mahtuvus ja induktiivsus muudavad elektrienergia vastavalt elektr ja magnetväljadeks, põhjustades väiksemaid kadusid. Arvestades kogu küttekeha süsteemi, tulenevad kaotused soojusest, mis on hajutatud protsessivedelikust või küttekehast endast väliskeskkonda. Seetõttu tuleb kogu genereeritud soojuse kasutamiseks süsteem eraldada.

Ii. Kütteelementide omadused
Peaaegu kõik juhtkonnad tekitavad soojust, kui vool neist voolab. Kuid mitte kõik juhid ei sobi kütteelementidena kasutamiseks. Vajalik on elektriliste, mehaaniliste ja keemiliste omaduste õige kombinatsioon. Järgmised omadused on olulised kütteelementide kujundamisel.

Takistus: soojuse tekitamiseks peab kütteelemendil olema piisav elektritakistus. Kuid vastupanu ei saa olla nii kõrge, et sellest saab isolaator. Takistus on võrdne takistusega, mis on korrutatud juhi pikkusega, jagatud juhtseadiga -. Antud risti - jaoks kasutage lühema juhi saamiseks suurema takistusega materjali.

Oksüdatsiooniresistentsus: kuumus kiirendab tavaliselt metallide ja keraamika oksüdatsiooni. Oksüdeerimine võib tarbida kütteelementi, vähendades selle mahtu või kahjustades selle struktuuri. See piirab kütteelemendi eluiga. Metalli soojenduselementide jaoks aitab oksiidiga legeerimine passiivsukihi moodustades oksüdeerumise vastu. Keraamiliste kütteelementide jaoks on kõige tavalisem kaitsevastane anti - oksüdatsiooni skaleerimine SiO₂ või Al₂o₃ -ga. Kütteelementide tüübid, mis on sobimatud kasutamiseks oksüdeerivates keskkondades, näiteks grafiidis, kasutatakse kõige sagedamini vaakumiahjudes või ahjudes, mille oksüdeerivad atmosfäärigaasid (näiteks H₂, N₂, AR või HE), kus kuumutuskambris pole õhku.
Temperatuuri koefitsient: pange tähele, kuidas materjali takistus temperatuuriga muutub. Enamikus juhtides suureneb ka temperatuuri tõustes takistus. See nähtus mõjutab mõnda materjali olulisemalt kui teised. Kõrgemat TCR -i kasutatakse peamiselt soojuses - tundlikes rakendustes. Soojuse genereerimisel eelistatakse üldiselt madalamat väärtust. Kuigi vastupidavuse muutust saab mõnel juhul täpselt ennustada, on suurema jõu edastamiseks vajalik resistentsuse dramaatiline suurenemine. Süsteemi kohandamiseks kasutatava vastupidavusega kasutatakse juhtimis- või tagasisidesüsteemi.

Mehaanilised omadused: jäigad kütteelemendid deformeeruvad kõrgel temperatuuril. Kui materjal läheneb sulanud või ümber kristalliseeritud olekule, nõrgeneb ja deformeerub kergemini kui toatemperatuuril. Hea kütteelement säilitab oma kuju isegi kõrgel temperatuuril. Seevastu elastsus on soovitav mehaaniline omadus, eriti metalli kütteelementide jaoks. Natukevus võimaldab materjali tõmmata traadisse ja kujundada ilma selle tõmbetugevust kahjustamata.
Sulamistemperatuur: lisaks temperatuurile, mille korral oksüdatsioon märkimisväärselt suureneb, piirab materjali sulamistemperatuur ka selle töötemperatuuri. Keraamikal on tavaliselt kõrgemad sulamispunktid kui metallsoojenditel.

Kütteelementide materjalid

Kütteelemendi materjali omadused kitsendavad valikut mõne materjaliga. Kõige tavalisemad on nikkel - kroomisulamid, raud - kroomi - alumiiniumsulamid, molübdeeni räni ja räni karbiidi. Need materjalid võivad töötada kõrgetel temperatuuridel, kuna need peavad oksüdatsiooni kõrgel temperatuuril. Teine rühm koosneb grafiidist, molübdeenist, volframist ja tantaalust. Need materjalid oksüdeeruvad kõrgel temperatuuril ja neid kasutatakse sageli vaakumkeskkonnas või ahjudes hapnikuga - tasuta atmosfääriga.

Nikkel - Chromium (ni - cr) sulam
Seda tüüpi kütteelement on üks kõige laialdasemalt kasutatavaid materjale selle elastsuse, kõrge takistuse ja oksüdeerumiskindluse tõttu isegi kõrgel temperatuuril. Ni - CR -sulami kõige tavalisem koosseis on 80/20 ehk 80% nikkel ja 20% kroom. Muud kompositsioonid varieeruvad sõltuvalt tootjast. Kõrge elastsuse tõttu tõmmatakse see kütteelemendina kasutamisel sageli traadisse. Ühine rakendus, mis seda omadust näitab, on kuum - traatvahtlõikurid. Ni - Cr -traadi maksimaalne kuumutustemperatuur on umbes 1100 kuni 1200 kraadi.

Raud - Chromium - alumiinium (fe - cr - al) sulam
Selle tüüpi ferriitilise fe - cr - al sulami keemiline koostis on 20% kuni 24% kroom, 4 - 6% alumiinium ja rauana kui tasakaal. Võrreldes Ni - Cr -ga, on Fe - cr - Al küttekehad paindlikud ja kergemad. Need võivad tekitada ka kõrgemaid temperatuure kui Ni - Cr juhtme, umbes 1300–1400 kraadi. Rauast mittevääri metalli tõttu kõigub selle sulami hind vähem kui ni - Cr, mis koosneb peamiselt niklist. Fe - Cr-Al sulamite kasutamise puuduseks on nende tugevus kõrgematel temperatuuridel.

Fe - cr - al sulamid saab tõhusamalt toota protsessi kaudu, mida tuntakse pulbri metallurgiana. Selle protsessi käigus vähendatakse sulami valuplokk pulbriks ja tihendatakse vormi. Seejärel on see paagutatud või kuum - vajutatakse (kuum isostaatiline pressimine) temperatuuril - kontrollitud atmosfääris, et luua metallurgiline side, ilma et pulbristatud metalli täielikult sulaks. Materjali mehaaniliste omaduste tugevdamiseks lisatakse sulami segule dispergeerijaid, andes kõrgematel temperatuuridel täiendavat tugevust ja sitkust.

Molübdeenidisiliitsiid (Mosi₂)
Molübdeenide dilikitsiid on tulekindlate tseremet (keraamiline - metallist komposiit), mida kasutatakse peamiselt kütteelemendi materjalina. Kõrge sulamistemperatuuri ja hea korrosioonikindluse tõttu on see ideaalne materjal kõrge - temperatuuriahjude jaoks. MOSI₂ kütteelemente toodetakse mitmesuguste energia - intensiivsete protsesside kaudu, sealhulgas mehaaniline legeerimine, põlemissüntees, mõju süntees ja kuum isostaatiline pressimine.

Mosi₂ küttekehad võivad saavutada küttetemperatuuri kuni 1900 kraadi. Molübdeeni räniidi kasutamise puudused on selle madala sitkus ümbritsevates tingimustes ja kalduvus hiilida kõrgel temperatuuril. See on toatemperatuuril habras ja nõuab käsitsemisel äärmist hooldust. Suurem sitkus saavutatakse rabeda - korral - elastse ülemineku temperatuur, umbes 1000 kraadi. Teisest küljest võib kõrgem pugemiskiirus põhjustada kütteelemendi deformeerumist kõrgel temperatuuril. Kõige tavalisem MOSI2 elemendi tüüp on kahe - varre juuksenõela kujundus, mis on tavaliselt ahju katusest riputatud ja paigutatud ümber ahju seinte. Teisi kujundeid kombineeritakse sageli keraamiliste isoleerimisvormidega integreeritud pakendina, et tagada mehaaniline tugi ja soojusisolatsioon.

Ränikarbiid (sic)
See on keraamika, mis on toodetud SIC -terade ümberkujundamisel või reaktsioonil temperatuuril üle 2100 kraadi. Ränikarbiidi kütteelemendid on poorsed (tavaliselt 8 - 25%), võimaldades ahju atmosfääril reageerida materjali ristlõike kaudu. Kogu kütteelement võib järk -järgult oksüdeeruda, põhjustades selle takistuslike omaduste suurenemise aja jooksul (tavaliselt nimetatakse "vananemiseks"). Elemendi pinge järkjärgulise suurendamiseks selle kasutussageduse järk -järgult suurendamiseks on vajalik muutuv pinge toiteallikas, säilitades nõutava väljundvõimsuse järk -järgult. See vananemine piirab lõpuks kütteelemendi eluiga ja jõudlust.

Räni karbiidil on palju omadusi, mis muudavad selle sobivaks kütteelementide valmistamiseks, mis sobivad äärmiselt kõrgeks töötemperatuuriks. Sellel keraamias pole vedelat faasi. See tähendab, et element ei lange ega deformeerunud mingil temperatuuril hiilimise tõttu ja ahjus pole tuge vaja. Räni karbiidi sublimutab otse umbes 2700 kraadi juures. Lisaks on see enamiku protsessivedelike suhtes keemiliselt inertne ning sellel on kõrge jäikus ja madal soojuspaisumistegur. Ränikarbiidsoojendid võivad jõuda kuumutustemperatuurile umbes 1600–1700 kraadi.

Grafiit
Grafiit on süsinikust koosnev mineraal, milles aatomid on paigutatud kuusnurksesse struktuuri. See mineraal, ka oma sünteetilisel kujul, on suurepärane soojuse ja elektri juht. Grafiit võib soojust tekitada temperatuuril üle 2000 kraadi. Kõrgetel temperatuuridel suureneb selle elektritakistus märkimisväärselt. Lisaks talub see termilist šokki ega muutu isegi pärast kiiret kuumutamist ja jahutustsüklit hapraks. Grafiidi kasutamise peamine puudus on selle kalduvus temperatuuridel umbes 500 kraadi. Jätkuv kasutamine selles vahemikus viib lõpuks materiaalse kahanemiseni. Grafiidi kütteelemente kasutatakse sageli vaakumkambrites, kus küttekambrist õhutatakse hapnikku ja muid gaase. See hapniku kahanemine takistab mitte ainult sulametalli, vaid ka kütteelemendi enda oksüdatsiooni. Grafiiti saab kile tihendamiseks kasutada õhukeste - kileküttekehade, näiteks süsinikkristallide kuumutamise kilede ja grafeeni kuumutamise kilede loomiseks.

Molübdeen, volfram ja tantaal
Kütteelementidena kasutamisel on need tulekindlad metallid, mille omadused on sarnased grafiidiga. Nendest metallidest on volfram kõrgeim töötemperatuur, kuid see on ka kallim. Molübdeen on kättesaadavuse osas populaarsem, kuna see on kõige odavam, kuid siiski kallim kui grafiit. Nagu grafiit, saab neid kasutada ainult vaakumitingimustes nende tugeva seondumisafiinsuse tõttu hapniku ning isegi vesiniku ja lämmastikuga. Need hakkavad temperatuuridel oksüdeeruma umbes 300–500 kraadi.

Positiivsete temperatuuride koefitsiendid (PTC) materjalid
Tüüpiline PTC -materjal on kumm, kuid ka keraamika on võimalik. PTC kumm on valmistatud polüdimetüülsiloksaanist (PDMS) ja süsinik nanoosakestest. PTC küttekehadel on ainulaadne omadus: need säilitavad või piiravad voolu voolu, suurendades temperatuuri tõustes vastupidavust. See muudab need ohutuks ja sobivaks sellisteks rakendusteks nagu püsiv temperatuur ja intelligentne temperatuurikontroll rõiva- ja meditsiiniseadmetes. Algselt tarbib küttekeha kogu jõudu ja soojeneb selle vastupidavuse tõttu. Kuumuse suurenedes suureneb materjali vastupidavus, toimides isolaatorina. See saavutatakse ilma vajaduseta tagasisidet.

Kütteelementide tüübid
Ainuüksi kütteelement ei hõlma kogu küttesüsteemi. Lisaks kütteelemendile sisaldab küttekeha ka klemmid, juhtmed, isolatsiooni, täiteainet, ketendamist ja tihendeid. Need küttekehad on erinevates vormides ja konfiguratsioonides, mis sobivad konkreetsetele rakendustele. Järgnev loetleb kõige tavalisemad kütteseadmed ja nende rakendused.

Õhuprotsessis küttekehad: nagu nimigi ütleb, kasutatakse seda tüüpi küttekeha voolava õhu soojendamiseks. Õhuprotsessis küttekeha on sisuliselt kuumutatud toru või ühe otsaga kanali jaheda õhu sisselaskeava ja teine ​​kuuma õhu väljalaskeava jaoks. Kanalite seina ääres on kütteelementide mähised, mis on isoleeritud keraamiliste ja mitte - juhtivate tihenditega. Neid kasutatakse tavaliselt kõrgel - voos, madala - rõhurakendustes. Õhuprotsessis küttekehade rakendused hõlmavad soojust kahanemist, lamineerimist, liimi aktiveerimist või kõvendamist, kuivatamist ja küpsetamist.

Kasseti küttekehad: seda tüüpi küttekehas haavatakse keraamilise südamiku ümber resistentsusega, mis on tavaliselt valmistatud tihendatud magneesiumoksiidist. Saadaval on ka ristkülikukujulised konfiguratsioonid, milles takistusraadi mähised kulgevad kasseti pikkuses kolm kuni viis korda. Takistusjuhtme või kütteelement asub kesta materjali seina lähedal, et maksimeerida soojusülekannet. Sisekomponentide kaitsmiseks on kest tavaliselt valmistatud korrosioonist - resistentsest materjalist, näiteks roostevabast terasest. Juhid on tavaliselt paindlikud, mõlemad klemmid asuvad kasseti ühes otsas. Patseri küttekehad kasutatakse hallituse kuumutamiseks, vedeliku kuumutamiseks (sukeldamise küttekehad) ja pinna kuumutamiseks.

Torukujulised küttekehad: torukujulistel küttekehadel on sama sisemine struktuur kui kasseti küttekehad. Peamine erinevus kassettide küttekehadest on see, et pliimlemmid asuvad toru mõlemas otsas. Kogu torukujuline struktuur saab erinevatesse vormidesse painutada, et see vastaks kuumutatava ruumi või pinna soovitud soojuse jaotusele. Lisaks võivad nendel küttekehadel olla uimed, mis on mehaaniliselt ümbritsetud kesta pinnaga, et aidata tõhusat soojusülekannet. Torukujulised küttekehad on sama mitmekülgsed kui kasseti küttekehad ja neid kasutatakse sarnastes rakendustes.

Ribaküttekehad: need küttekehad on loodud silindriliste metallpindade või veresoonte ümber mähkimiseks, näiteks torud, tünnid, trummid ja ekstruuderid. Neil on polt - vahekaartide lukustamisel, mis klammerdavad laeva pinnale. Küttekeha on õhuke, takistuslik traat või pael, mis on tavaliselt MICA -ga isoleeritud. Kall on valmistatud roostevabast terasest või messingist. Veel üks ribaküttekeha kasutamise eelis on see, et see soojendab anuma vedelikku kaudselt. See tähendab, et kütteseadet ei kohaldata protsessi vedeliku keemilise rünnaku all. See hoiab ära ka potentsiaalsed tulekahjud, kui neid kasutatakse õli- ja määrdeainete teeninduses.

Ribaküttekehad: need küttekehad on tasased, ristkülikukujulised ja kuumutatava pinna külge kinnitatud. Nende sisekonstruktsioon sarnaneb ribaküttekehaga. Kuid isolatsioonimaterjal võib lisaks vilgukividele olla ka keraamiline, näiteks magneesiumoksiid ja klaaskiud. Ribaküttekehade tüüpilised kasutusalad on hallitusseente, ravimite, platside, mahutite, torude jms pinnaküte. Lisaks pinnakütmisele saab neid kasutada ka õhu või vedeliku kuumutamiseks, omades viimistletud pinna. Piiratud küttekehad leidub ahjudes ja kosmoseküttekehades.

Söövitatud fooliumküttekehad: söövitatud fooliumküttekehad nimetatakse ka õhukeseks - kileküttekehadeks. Selle tüüpi korral söövitatakse ja ühendatakse takistusega küttematerjal fooliumiga, mis on tavaliselt valmistatud alumiiniumist. Kui on vaja suuremat paindlikkust ja rebendtakistust, võib substraadi valmistada ka soojusest - resistentsest sünteetilisest kummist või termoplastilisest polüuretaanist (TPU). Tavalised painduvad küttekehad, näiteks lemmikloomade küttekile, FPC küttekile ja silikoonküttekehad kasutavad sageli söövitatud fooliumküttekehasid. Lisaks paindlikkusele on veel üks eelis kütteelementide tihe vahekaugus, fotokeemilise söövitamise loomupärane eelis. Isegi nii väikese vormifaktori korral on saavutada suurem soojustihedusega soojusjaotus. Võrreldes traditsiooniliste traadiküttekehadega on selle rakendused rohkem spetsialiseerunud. Söövitatud fooliumsoojendeid kasutatakse tavaliselt meditsiiniseadmetes, elektroonikas ja mõõteriistades, lennunduses ja rõivastes. Ühte külge saab hõlpsaks paigaldamiseks vooderdada kleepuva kihiga.

Keraamilised küttekehad: need küttekehad kasutavad keraamikat kõrge sulamistemperatuuriga, kõrge termilise stabiilsusega, kõrge - temperatuuri tugevus, kõrge suhteline keemiline inensus ja madal soojusmaht. Pange tähele, et see erineb keraamikast, mida kasutatakse isoleermaterjalidena. Suurepärase soojusjuhtivuse tõttu kasutatakse neid kütteelemendist soojuse läbiviimiseks ja jaotamiseks. Märkimisväärsete keraamiliste kütteseadmete hulka kuuluvad räni nitriid ja alumiiniumnitriid. Neid kasutatakse sageli kiire kuumutamiseks, nagu on näha hõõguvate pistikute ja süüdajate puhul. Kui temperatuuri kuumutamine ja jahutustsüklid on kiire, kõrge - temperatuur ja jahutustsüklites, on materjal vastuvõtlik pragunemisele, mis on tingitud termilisest pingest. Spetsiaalne tüüpi keraamiline küttekeha on PTC keraamika. See tüüp ise - reguleerib selle energiatarbimist, takistades selle punaseks muutumist.

Keraamiline kiu küttekeha: seda tüüpi küttekehas toimib keraamiline kiudude isolaatorina, koondades kuumutatava kuumuse, et vältida süsteemi kadusid. Keraamilise kiu mati ühe külje ümber on haavatud takistusjuhe. See külg on seotud pinnaga, mida saab kuumutada kuni 1200 kraadi.

Järeldus:
Kütteelement on materjal või seade, mis teisendab elektrienergia otse soojuse või soojusenergiaks, mida nimetatakse džuulekütteks.
Kõige olulisemad kütteelementide omadused on piisav takistus, kõrge oksüdatsiooniresistentsus, madala temperatuuriga vastupidavuse koefitsient, kõrge sitkus ja kõrge sulamistemperatuur.
Tavaliselt kasutatavad kütteelemendid hõlmavad nikkel - kroomisulamist, raud - kroomi - alumiiniumsulamid, molübdeeni dililiitsiid ja räni karbiidi. Populaarsed on ka grafiit ja muud tulekindlad metallid, millel on tavaliselt kõrge oksüdatsiooni kiirused.
Lisaks kütteelemendile sisaldab küttekeha ka klemmid, juhtmed, isolatsioon, täiteained, kestad ja tihendid. Need küttekehad on erinevates vormides ja konfiguratsioonides, mis sobivad konkreetsetele rakendustele.
Tüüpilised küttekeha tellimisspetsifikatsioonid hõlmavad võimsust või võimsust, maksimaalset töötemperatuuri, protsessi vedeliku tüüpi, kesta materjali ja toiteallikat (pinge ja sagedus).