VARME Element Electric Heat Plate Heater Production Basics

Hvad er varmeelementer? Hvordan fungerer elektriske varmeapparater? Hvilke typer produkter er tilgængelige? Hvilke typer opvarmningsmaterialer er tilgængelige? En omfattende oversigt over det grundlæggende ved varmeelementer.

1. Hvad er varmeelementer?
Et varmeelement er et materiale eller en enhed, der konverterer elektrisk energi direkte til varme eller termisk energi gennem et princip kendt som Joule -opvarmning. Jouleopvarmning er det fænomen, hvor en leder genererer varme på grund af strømmen af ​​elektrisk strøm. Når strømmen strømmer gennem et materiale, kolliderer elektroner eller andre ladningsbærere med lederens ioner eller atomer, hvilket genererer friktion i atomskalaen. Denne friktion manifesterer sig derefter som varme. Joules første lov (The Joule - Lenz Law) beskriver den varme, der er genereret af nuværende i en dirigent. Det udtrykkes som:

P=iv eller p=i²r

I henhold til disse ligninger afhænger mængden af ​​genererede varme af den aktuelle, spænding eller modstand af ledermaterialet. Modstand er en nøglefaktor i designet af et varmeelement.

Jouleopvarmning er tydelig i alle ledende materialer med forskellige styrker, med undtagelse af en speciel klasse af materialer kendt som superledere. Generelt genererer ledende materialer mindre varme, fordi ladningsbærere let flyder gennem dem, mens materialer med høj modstand genererer mere varme. Superledere tillader på den anden side strømmen at strømme uden at generere nogen varme. Generelt betragtes varme fra en dirigent som energitab. Den elektriske energi, der bruges til at drive en enhed, genererer unødvendig varme i form af transmissionstab, hvilket i sidste ende ikke producerer noget nyttigt arbejde.

På en måde er elektriske opvarmningselementer næsten 100% effektive, fordi al den medfølgende energi konverteres til dens tilsigtede form. Opvarmningselementer kan ikke kun udføre varme, men også overføre energi gennem lys og stråling. Dette gælder dog kun delvist ideelle modstande. Den iboende kapacitans og induktans af materialet omdanner henholdsvis elektrisk energi til elektriske og magnetiske felter, hvilket resulterer i mindre tab. I betragtning af hele varmesystemet kommer tab fra varme, der er spredt fra procesvæsken eller selve varmelegemet til det ydre miljø. Derfor skal systemet isoleres for at anvende al den genererede varme.

Ii. VARME Elementegenskaber
Næsten alle ledere genererer varme, når strømmen strømmer gennem dem. Imidlertid er ikke alle ledere egnede til brug som varmeelementer. Den rigtige kombination af elektriske, mekaniske og kemiske egenskaber er påkrævet. Følgende egenskaber er vigtige i design af varmeelement.

Resistivitet: For at generere varme skal et varmeelement have tilstrækkelig elektrisk modstand. Modstanden kan imidlertid ikke være så høj, at den bliver en isolator. Modstand er lig med resistivitet multipliceret med lederlængde divideret med lederkors - sektionen. For et givet kryds - sektion, for at opnå en kortere leder, skal du bruge et materiale med en højere resistivitet.

Oxidationsmodstand: Varme fremskynder typisk oxidation i metaller og keramik. Oxidation kan forbruge varmeelementet, reducere dets kapacitet eller skade dens struktur. Dette begrænser opvarmningselementets levetid. Til metalopvarmningselementer hjælper legering med oxidet med at modstå oxidation ved at danne et passiveringslag. For keramiske opvarmningselementer er beskyttende anti - oxidationsskalering med SiO₂ eller Al₂o₃ mest almindelig. Opvarmningselementtyper, der er uegnede til brug i oxidationsmiljøer, såsom grafit, bruges oftest i vakuumovne eller ovne med ikke - oxidation af atmosfæregasser (såsom H₂, N₂, AR eller HE), hvor der ikke er luft i opvarmningskammeret.
Temperaturskoefficient for modstand: Bemærk, hvordan et materiales resistivitet ændrer sig med temperaturen. I de fleste ledere, når temperaturen øges, øges modstand også. Dette fænomen påvirker nogle materialer mere markant end andre. En højere TCR bruges primært i varme - følsomme anvendelser. For varmeproduktion foretrækkes en lavere værdi generelt. Mens ændringen i modstand i nogle tilfælde kan forudsiges nøjagtigt, kræves en dramatisk stigning i modstand for at levere mere magt. For at tilpasse systemet til ændring af resistivitet anvendes et kontrol- eller feedback -system.

Mekaniske egenskaber: Stive varmeelementer deformeres, når de bruges ved høje temperaturer. Når en materiale nærmer sig sin smeltede eller omkrystalliserede tilstand, svækkes den og deformeres lettere end ved stuetemperatur. Et godt varmeelement opretholder sin form, selv ved høje temperaturer. På den anden side er duktilitet en ønskelig mekanisk egenskab, især til metalopvarmningselementer. Duktilitet gør det muligt at trække materialet ind i ledningen og formet uden at gå på kompromis med dens trækstyrke.
Smeltningspunkt: Ud over den temperatur, hvorpå oxidation markant øges, begrænser et materiales smeltepunkt også dets driftstemperatur. Keramik har typisk højere smeltepunkter end metalvarmere.

Varmeelementmaterialer

Varmematerialets egenskaber indsnævrer valget til et par materialer. De mest almindelige er nikkel - kromlegeringer, jern - krom - aluminiumslegeringer, molybdænsilicid og siliciumcarbid. Disse materialer kan fungere ved høje temperaturer, fordi de modstår oxidation ved høje temperaturer. En anden gruppe består af grafit, molybdæn, wolfram og tantal. Disse materialer oxideres ved høje temperaturer og bruges ofte i vakuummiljøer eller ovne med et ilt - gratis atmosfære.

Nikkel - chrom (ni - cr) legering
Denne type varmeelement er et af de mest anvendte materialer på grund af dets duktilitet, høj resistivitet og resistens mod oxidation, selv ved høje temperaturer. Den mest almindelige sammensætning af Ni - cr legering er 80/20 eller 80% nikkel og 20% ​​krom. Andre sammensætninger varierer afhængigt af producenten. På grund af sin høje duktilitet trækkes det ofte ind i ledningen, når det bruges som et varmeelement. En almindelig anvendelse, der udviser denne egenskab er varm - trådskumskærere. Den maksimale opvarmningstemperatur på Ni - Cr -ledningen er ca. 1.100 til 1.200 grad.

Iron - chrom - aluminium (Fe - cr - al) legering
Denne type ferritisk Fe - cr - al -legering har typisk en kemisk sammensætning på 20% til 24% krom, 4 - 6% aluminium og jern som balance. Sammenlignet med ni - cr, er Fe - cr - al -varmeapparater fleksible og lettere. De kan også generere højere temperaturer end Ni - Cr Wire, ca. 1.300 til 1.400 grad. På grund af dets jernbase metal svinger denne legerings pris mindre end Ni - cr, som primært er sammensat af nikkel. En ulempe ved at bruge Fe - cr-al-legeringer er deres reducerede styrke ved højere temperaturer.

Fe - cr - Al -legeringer kan fremstilles mere effektivt gennem en proces kendt som pulvermetallurgi. I denne proces reduceres en ingot af legeringen til et pulver og komprimeres til en form. Det er derefter sintret eller varmt - presset (varm isostatisk presning) i en temperatur - kontrolleret atmosfære for at skabe en metallurgisk binding uden at smelte det pulveriserede metal fuldstændigt. Spredtemidler tilsættes til legeringsblandingen for at forbedre materialets mekaniske egenskaber, hvilket giver yderligere styrke og sejhed ved højere temperaturer.

Molybden Disilicid (MOSI₂)
Molybdæn -disilicid er et ildfast cermet (keramik - metalkomposit), der primært bruges som et varmeelementmateriale. På grund af dets høje smeltepunkt og god korrosionsbestandighed er det et ideelt materiale til høj - temperaturovne. Mosi₂ -opvarmningselementer produceres gennem forskellige energi - intensive processer, herunder mekanisk legering, forbrændingssyntese, påvirkning af syntese og varm isostatisk presning.

Mosi₂ -varmeapparater kan opnå opvarmningstemperaturer op til 1.900 grad. Ulemper ved at bruge molybdænsilicid er dets lave sejhed under omgivelsesforhold og dens tendens til at krybe ved høje temperaturer. Det er sprødt ved stuetemperatur og kræver ekstrem omhu ved håndtering. Højere sejhed opnås ved den sprøde - til - duktil overgangstemperatur, omkring 1.000 grader. På den anden side kan den højere krybningshastighed få opvarmningselementet til at deformere let ved høje temperaturer. Den mest almindelige type MOSI2 -element er en to - shank hårnålsdesign, typisk ophængt fra ovnstaket og placeret omkring ovnvæggene. Andre former kombineres ofte med keramiske isolerende formere som en integreret pakke til at yde mekanisk støtte og termisk isolering.

Siliciumcarbid (sic)
Dette er en keramik produceret ved omkrystallisering eller reaktionsbinding SIC -korn ved temperaturer over 2.100 grad. Siliciumcarbidopvarmningselementer er porøse (typisk 8 - 25%), hvilket gør det muligt for ovnatmosfæren at reagere gennem tværsnittet af materialet. Hele varmeelementet kan gradvist oxidere, hvilket får dets resistive egenskaber til at stige over tid (ofte benævnt "aldring"). Der kræves ofte en variabel spændingseffektforsyning for gradvist at øge elementspændingen over dets levetid ved gradvist at opretholde den krævede effekt. Denne aldring begrænser i sidste ende levetiden og ydeevnen for varmeelementet.

Siliciumcarbid har mange egenskaber, der gør det velegnet til fremstilling af opvarmningselementer, der er egnede til ekstremt høje driftstemperaturer. Denne keramik har ingen flydende fase. Dette betyder, at elementet ikke falder eller deformeres på grund af krybning ved nogen temperatur, og der kræves ingen støtte inden for ovnen. Siliciumcarbid sublimes direkte ved cirka 2.700 grad. Derudover er det kemisk inert for de fleste procesvæsker og har høj stivhed og en lav koefficient for termisk ekspansion. Siliciumcarbidvarmere kan nå opvarmningstemperaturer på ca. 1.600 til 1.700 grad.

Grafit
Grafit er et mineral sammensat af kulstof, hvor atomer er arrangeret i en hexagonal struktur. Dette mineral, også i sin syntetiske form, er en fremragende leder af varme og elektricitet. Grafit kan generere varme ved temperaturer, der overstiger 2.000 grader. Ved høje temperaturer øges dens elektriske modstand markant. Desuden kan det modstå termisk chok og bliver ikke sprødt, selv efter hurtig opvarmnings- og afkølingscyklusser. Den største ulempe ved at bruge grafit er dens tendens til at oxidere ved temperaturer omkring 500 grader. Fortsat brug inden for dette interval vil i sidste ende føre til materialedykning. Grafitopvarmningselementer bruges ofte i vakuumovne, hvor ilt og andre gasser udluftes fra varmekammeret. Denne iltudtømning forhindrer oxidation ikke kun af det smeltede metal, men også af selve varmeelementet. Grafit kan bruges i filmforsegling til at skabe tynde - filmvarmere som carbon krystalvarmefilm og grafenopvarmningsfilm.

Molybdæn, wolfram og tantal
Når de bruges som opvarmningselementer, er dette ildfaste metaller med egenskaber, der ligner grafit. Af disse metaller har Wolfram den højeste driftstemperatur, men er også dyrere. Molybdæn er mere populær med hensyn til tilgængelighed, fordi det er den billigste, men stadig dyrere end grafit. Ligesom grafit kan de kun bruges under vakuumbetingelser på grund af deres stærke bindingsaffinitet med ilt og endda brint og nitrogen. De begynder at oxidere ved temperaturer mellem ca. 300 og 500 grader.

Positive temperaturkoefficient (PTC) materialer
Det typiske PTC -materiale er gummi, men keramik er også muligt. PTC -gummi er lavet af polydimethylsiloxan (PDM'er) og carbon -nanopartikler. PTC -varmeapparater har en unik egenskab: De opretholder eller begrænser strømmen ved at øge deres modstand, når temperaturen stiger. Dette gør dem sikre og egnede til applikationer såsom konstant temperatur og intelligent temperaturstyring i tøj og medicinsk udstyr. Oprindeligt forbruger varmeapparatet al strøm og varmer op på grund af dens resistivitet. Når varmen bygger, øges materialets modstand og fungerer som en isolator. Dette opnås uden behov for nogen feedback -loop.

Typer af varmeelementer
Et varmeelement alene omfatter ikke hele varmesystemet. Ud over varmeelementet inkluderer en varmelegeme også terminaler, kundeemner, isolering, fyldstof, hylning og sæler. Disse varmeapparater findes i forskellige former og konfigurationer, der passer til specifikke applikationer. Følgende viser de mest almindelige varmeapparater og deres applikationer.

Luftprocesvarmere: Som navnet antyder, bruges denne type varmelegeme til at varme flydende luft. En luftprocesvarmer er i det væsentlige et opvarmet rør eller kanal med den ene ende til indtagelse af kølig luft og den anden til udløbet af varm luft. Langs kanalvæggen er spoler af varmeelementer isoleret af keramik og ikke - ledende pakninger. Disse bruges typisk i høj - flow, lav - trykapplikationer. Anvendelser til luftprocesvarmere inkluderer varmekrympning, laminering, klæbende aktivering eller hærdning, tørring og bagning.

Kassettevarmere: I denne type varmeapparat vikles en modstandstråd omkring en keramisk kerne, typisk lavet af komprimeret magnesiumoxid. Rektangulære konfigurationer er også tilgængelige, hvor resistenstrådene passerer tre til fem gange langs længden af ​​patronen. Modstandstråden eller varmeelementet er placeret nær væggen i hylstermaterialet for at maksimere varmeoverførslen. For at beskytte de interne komponenter er kappen typisk lavet af en korrosion - resistent materiale såsom rustfrit stål. Ledningerne er typisk fleksible med begge terminaler placeret i den ene ende af patronen. Patronvarmere bruges til skimmelopvarmning, væskeopvarmning (nedsænkningsvarmere) og overfladeopvarmning.

Rørformede varmeapparater: Rørformede varmeapparater har den samme interne struktur som patronvarmere. Den største forskel fra patronvarmere er, at blygerminalerne er placeret i hver ende af røret. Hele den rørformede struktur kan bøjes i forskellige former for at passe til den ønskede varmefordeling af den plads eller overfladen, der skal opvarmes. Derudover kan disse varmeapparater have finner mekanisk bundet til kappenoverfladen for at hjælpe med effektiv varmeoverførsel. Rørformede varmeapparater er lige så alsidige som patronvarmere og bruges i lignende applikationer.

Båndvarmere: Disse varmeapparater er designet til at vikle sig omkring cylindriske metaloverflader eller kar, såsom rør, tønder, trommer og ekstrudere. De har bolt - på låsefaner, der sikkert klemmes til fartøjets overflade. Varmeren er en tynd, resistiv ledning eller bånd, typisk isoleret med glimmer. Hylsteret er lavet af rustfrit stål eller messing. En anden fordel ved at bruge en båndvarmer er, at den opvarmer væsken inden for fartøjet indirekte. Dette betyder, at varmelegemet ikke er underlagt noget kemisk angreb fra procesvæsken. Dette forhindrer også potentielle brande, når de bruges i olie- og smøremiddeltjeneste.

Stripvarmere: Disse varmeapparater er flade, rektangulære og boltet til overfladen for at blive opvarmet. Deres interne konstruktion ligner den for en båndvarmer. Imidlertid kan isoleringsmaterialet ud over MICA være keramisk, såsom magnesiumoxid og glasfiber. Typiske anvendelser til båndvarmere er overfladeopvarmning til forme, dør, platens, tanke, rør og lignende. Ud over overfladeopvarmning kan de også bruges til luft- eller væskeopvarmning ved at have en finnet overflade. Finnede varmeapparater findes i ovne og rumvarmere.

Ætset folievarmere: ætsede folievarmere kaldes også tynde - filmvarmere. I denne type er det resistive opvarmningsmateriale ætset og bundet til en folie, typisk lavet af aluminium. Hvis der kræves større fleksibilitet og tårebestandighed, kan underlaget også være lavet af varme - resistent syntetisk gummi eller termoplastisk polyurethan (TPU). Almindelige fleksible varmeapparater, såsom kæledyrsopvarmningsfilm, FPC -opvarmningsfilm og silikonevarmere bruger ofte ætsede folievarmere. Udover fleksibilitet er en anden fordel den stramme afstand af opvarmningselementerne, en iboende fordel ved fotokemisk ætsning. Selv i en sådan lille formfaktor kan varmefordeling med større varmetæthed opnås. Sammenlignet med traditionelle trådvarmere er dens applikationer mere specialiserede. Ætset folievarmere bruges ofte i medicinsk udstyr, elektronik og instrumentering, rumfart og tøj. Den ene side kan foret med et klæbende lag for nem installation.

Keramiske varmeapparater: Disse varmeapparater bruger keramik med et højt smeltepunkt, høj termisk stabilitet, høj - temperaturstyrke, høj relativ kemisk inerthed og lav varmeevne. Bemærk, at dette adskiller sig fra keramik, der bruges som isolerende materialer. På grund af deres fremragende termiske ledningsevne bruges de til at udføre og fordele varme fra varmeelementet. Bemærkelsesværdige keramiske varmeapparater inkluderer siliciumnitrid og aluminiumnitrid. Disse bruges ofte til hurtig opvarmning, som det ses i glødestik og tænding. Når de udsættes for hurtig, høj - temperaturopvarmning og afkølingscyklusser, er materialet imidlertid modtageligt for revner på grund af træthed forårsaget af termisk stress. En speciel type keramisk varmer er PTC -keramik. Denne type selv - regulerer sit strømforbrug og forhindrer, at den bliver rød varm.

Keramisk fibervarmer: I denne type varmeapparat fungerer keramisk fiber som en isolator, hvilket koncentrerer varme på overfladen, der skal opvarmes for at forhindre systemtab. En modstandstråd vikles omkring den ene side af den keramiske fibermåtte. Denne side er bundet til overfladen, som kan opvarmes op til 1.200 grad.

Konklusion:
Et varmeelement er et materiale eller en enhed, der konverterer elektrisk energi direkte til varme eller termisk energi gennem et princip kendt som Joule -opvarmning.
De vigtigste varmeelementegenskaber er tilstrækkelig resistivitet, høj oxidationsmodstand, en lav temperaturkoefficient for resistens, høj sejhed og et højt smeltepunkt.
Almindeligt anvendte opvarmningselementer inkluderer nikkel - kromlegeringer, jern - krom - aluminiumslegeringer, molybdæn -disilicid og siliciumcarbid. Grafit og andre ildfaste metaller, som typisk har høje oxidationshastigheder, er også populære.
Ud over opvarmningselementet inkluderer en varmelegeme også terminaler, kundeemner, isolering, fyldstoffer, hylster og sæler. Disse varmeapparater findes i forskellige former og konfigurationer, der passer til specifikke applikationer.
Typiske estikeringsspecifikationer for varmelegemer inkluderer strøm eller wattage, maksimal driftstemperatur, procesvæsketype, hylstermateriale og strømforsyning (spænding og frekvens).