Введение

Устройство, преобразующее электричество в тепло

Нагревательный элемент – это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в тепло, состоящее из нагревательного резистора и комплектующих. Тепло генерируется при прохождении электрического тока через резистор в процессе, известном как эффект Джоуля. Нагревательные элементы используются в бытовых приборах, промышленном оборудовании и научных приборах, позволяя им выполнять такие задачи, как приготовление пищи, обогрев или поддержание определенной температуры выше температуры окружающей среды. Нагревательные элементы могут использоваться для передачи тепла посредством теплопроводности, конвекции или излучения. Они отличаются от устройств, генерирующих тепло из электрической энергии посредством эффекта Пельтье и не зависят от направления электрического тока.

Проводка

Сопротивления — это очень длинные и тонкие резисторы с круглым поперечным сечением. Как и в случае с токопроводящей проволокой, диаметр проволоки сопротивления часто измеряется с использованием системы калибров, например, американского калибра проволоки (AWG).

Лента

Нагревательные элементы из ленточной проволоки сопротивления изготавливаются путем сплющивания круглой проволоки сопротивления, придавая им прямоугольное сечение с закругленными углами. Как правило, для элементов, работающих при температуре выше 600 °C, используются керамические изоляторы. ТРУБЧАТЫЕ нагревательные элементы обычно состоят из тонкой спирали из проволоки сопротивления, окруженной электрическим изолятором и заключенной в металлическую трубчатую оболочку или корпус. В качестве изоляции обычно используется порошок оксида магния, а оболочка обычно изготавливается из сплава меди или стали. Для защиты гигроскопичного изолятора от влаги концы элементов оснащаются бусинами из изоляционного материала, такого как керамика или силиконовая резина, или их комбинацией. Трубу протягивают через фильеру для сжатия порошка и максимизации теплопередачи. Они могут быть выполнены в виде прямой стержни (как в электротостерах) или изогнуты для охвата нагреваемой поверхности (например, в электрических плитах, духовках и кофеварках).

Элементы с экрано-печати

Металлокерамические проводящие дорожки, нанесенные методом трафаретной печати на керамические изоляторы, установленные на металлических (обычно стальных) пластинах, получили широкое распространение в качестве элементов чайников и другой бытовой техники с середины 1990-х годов.

Радиационные элементы

Радиационные нагревательные элементы (тепловые лампы) – это мощные лампы накаливания, работающие на мощности ниже максимальной, чтобы излучать преимущественно инфракрасное, а не видимое излучение. Обычно они используются в инфракрасных обогревателях и подогревателях для пищи, имея либо вытянутую трубчатую форму, либо форму рефлекторной лампы R40. Рефлекторные лампы часто имеют красную окраску для минимизации видимого света; трубчатые лампы выпускаются в различных вариантах:

Покрытые золотом. Стали известными благодаря запатентованной лампе Phillips Helen. На внутреннюю поверхность наносится дихроидная золотая пленка, которая уменьшает видимый свет и пропускает большую часть коротковолнового и средневолнового инфракрасного излучения. Предназначены главным образом для обогрева людей. В настоящее время эти лампы производятся многими производителями и постоянно совершенствуются. Покрытые рубином. Имеют ту же функцию, что и лампы с золотым покрытием, но стоят значительно дешевле. Видимое свечение у них намного сильнее, чем у золотого варианта. Прозрачные. Не имеют покрытия и используются в основном в производственных процессах.

Снимаемые элементы из керамического ядра

Для съемных керамических нагревательных элементов используется спираль из сплава с высоким сопротивлением, пропущенная через один или несколько цилиндрических керамических сегментов для достижения необходимой длины (определяющей мощность), с центральным стержнем или без него. Помещенный в металлический кожух или трубку, герметично закрытую с одного конца, этот тип элемента обеспечивает замену или ремонт без остановки процесса, как правило, нагрева жидкости под давлением.

Элементы фольги, гравированные

Элементы из травленой фольги обычно изготавливаются из тех же сплавов, что и элементы из проволоки сопротивления, но производятся методом сухой фототравления, который начинается с цельного листа металлической фольги и заканчивается сложным рисунком сопротивления. Эти элементы широко используются в прецизионных нагревательных устройствах, например, в медицинской диагностике и аэрокосмической отрасли.

Полимерные нагревательные элементы PTC

Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из проводящих материалов на основе резины PTC, у которой удельное электрическое сопротивление экспоненциально возрастает с увеличением температуры. Такой нагреватель выдает высокую мощность при низкой температуре и быстро самонагревается до определенной постоянной температуры. Благодаря экспоненциальному увеличению сопротивления, нагреватель не может нагреться выше этой температуры. При превышении этой температуры резина действует как электроизолятор. Температуру можно задавать в процессе производства резины. Типичные температуры находятся в диапазоне. Это точечный саморегулирующийся и самоограничивающийся нагреватель. Саморегулирование означает, что каждая точка нагревателя независимо поддерживает постоянную температуру без необходимости использования регулирующей электроники. Самоограничение означает, что нагреватель никогда не превысит определенную температуру в любой точке и не требует дополнительной защиты от перегрева.

Обогреватели толстопленочных материалов

Нагреватели с толстой пленкой – это тип резистивного нагревателя, который можно наносить на тонкую подложку. Нагреватели с толстой пленкой обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными нагревательными элементами в металлической оболочке. В общем случае, элементы с толстой пленкой характеризуются компактными размерами, улучшенной однородностью температуры, быстрым тепловым откликом благодаря низкой тепловой массе, высокой плотностью энергии и широким диапазоном совместимости напряжений. Обычно нагреватели с толстой пленкой наносятся на плоские подложки, а также на трубы в различных схемах нагрева. Эти нагреватели могут достигать плотности мощности до 100 Вт/см² в зависимости от условий теплопередачи. Схема нагревателя с толстой пленкой легко настраивается в зависимости от удельного сопротивления печатной резисторной пасты. Эти нагреватели могут быть нанесены на различные подложки, включая металл, керамику, стекло и полимер, с использованием толстопленочных паст, содержащих металл или сплав. Для большинства применений ключевыми параметрами проектирования являются тепловая производительность и распределение температуры. Для поддержания равномерного распределения температуры по подложке, конструкцию схемы можно оптимизировать путем изменения локальной плотности мощности резисторной цепи. Оптимизированная конструкция нагревателя позволяет контролировать мощность нагрева и регулировать локальные температуры на подложке нагревателя. В случаях, когда требуется две или более зон нагрева с различной плотностью мощности на относительно небольшой площади, нагреватель с толстой пленкой может быть спроектирован для создания зональной схемы нагрева на одной подложке. Нагреватели с толстой пленкой в основном классифицируются на две подкатегории – материалы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и материалы с положительным температурным коэффициентом (PTC) – в зависимости от влияния изменений температуры на сопротивление элемента. Нагреватели типа NTC характеризуются уменьшением сопротивления при повышении температуры нагревателя и, следовательно, имеют большую мощность при более высоких температурах для заданного входного напряжения. Нагреватели PTC ведут себя противоположным образом, увеличивая сопротивление и уменьшая мощность нагревателя при повышенных температурах. Эта характеристика нагревателей PTC делает их саморегулирующимися, поскольку их мощность стабилизируется при фиксированных температурах. С другой стороны, нагреватели типа NTC обычно требуют термостата или термопары для предотвращения перегрева. Эти нагреватели используются в приложениях, требующих быстрого повышения температуры нагревателя до заданной уставки, поскольку они обычно действуют быстрее, чем нагреватели типа PTC.

Жидкий

Электродный котел использует электричество, проходящее через потоки воды, для получения пара. Рабочее напряжение обычно находится в диапазоне от 240 до 600 вольт, однофазного или трехфазного переменного тока.

Лазерные обогреватели

Лазерные нагреватели — это нагревательные элементы, используемые для получения очень высоких температур.

Сплавы Fe-Cr-Al (также известные как Kanthal®)

Сопротивляющиеся нагревательные сплавы Fe Cr Al, также известные как Kanthal®, описываются стандартом ASTM. Производители могут выбирать этот класс сплавов вместо сплавов NiCr(Fe) для избежания обычно более высокой стоимости никеля как сырья по сравнению с алюминием. Компромиссом является то, что сплавы Fe Cr Al более хрупкие и менее пластичные, чем NiCr(Fe), что делает их более деликатными и склонными к поломкам. С другой стороны, оксидный слой алюминия, образующийся на поверхности сплавов Fe Cr Al, термодинамически более стабилен, чем оксидный слой хрома, который обычно образуется на NiCr(Fe), что обеспечивает Fe Cr Al лучшую коррозионную стойкость.

Керамика и полупроводники

Дисилицид молибдена (MoSi2) – это межметаллическое соединение, силицид молибдена, представляющий собой огнеупорную керамику, в основном используемую в нагревательных элементах. Он обладает умеренной плотностью, температурой плавления 2030 °C (3686 °F) и электропроводностью. При высоких температурах он формирует пассивирующий слой диоксида кремния, защищающий его от дальнейшего окисления. Области применения включают стекольную промышленность, спекание керамики, печи для термообработки и печи для диффузии полупроводников. Карбид кремния используется в горячих поверхностных зажигателях – нагревательных элементах, предназначенных для воспламенения горючих газов, широко применяемых в газовых печах и сушилках для одежды. Нитрид кремния – см. раздел «Нитрид кремния § автомобильная промышленность». Новое поколение горячих поверхностных зажигателей для газовых печей и свечей накаливания дизельных двигателей изготавливается из нитрида кремния. Такие нагревательные элементы или свечи накаливания достигают максимальной температуры 1400 °C и обеспечивают быстрое воспламенение бензина или керосина. Этот материал также используется в дизельных и бензиновых двигателях для других компонентов, участвующих в сгорании, и износостойких деталей. Керамические элементы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC): Керамические материалы PTC получили свое название благодаря положительному температурному коэффициенту сопротивления (то есть сопротивление увеличивается при нагреве). В то время как большинство керамических материалов имеют отрицательный коэффициент, эти материалы (часто композиты на основе титаната бария и титаната свинца) демонстрируют сильно нелинейную температурную зависимость, при которой выше пороговой температуры, зависящей от состава, их сопротивление быстро возрастает. Это свойство позволяет материалу функционировать как саморегулирующийся нагреватель: ток проходит, когда он холодный, и не проходит, когда он горячий. Тонкие пленки этого материала используются в обогреваемой одежде, системах обогрева заднего стекла автомобилей, а элементы сотовой структуры – в более дорогих фенах, обогревателях и большинстве современных печей на гранулах. Такие нагревательные элементы могут достигать температуры 950–1000 °C и быстро выходить на режим установившегося состояния. Для обеспечения лучистого нагрева также используются кварцевые галогенные инфракрасные нагреватели.

Жизненный цикл

Срок службы нагревательного элемента определяет ожидаемое время его работы в конкретном применении. Обычно нагревательные элементы в бытовой технике рассчитаны на 500–5000 часов использования, в зависимости от типа прибора и условий его эксплуатации. Сплавы FeCrAl, предназначенные для электрического нагрева, используются для оценки стойкости материалов к цикличному окислению.

Упаковка

Сопротивлятельная проволока и лента чаще всего поставляются, намотанными на бобины. Стандарт устанавливает пределы для параметров, таких как прочность изоляции, расстояние между проводниками в изоляции и ток утечки. Он также определяет допуски на мощность нагревательного элемента.