Το θερμαντικό φύλλο χρησιμοποιείται ευρέως σε μια ποικιλία εξοπλισμού θέρμανσης, ο πυρήνας του οποίου βασίζεται στο θερμαντικό στοιχείο, οπότε ποιο είναι το θερμαντικό στοιχείο; Ποιες είναι οι ιδιότητες των θερμαντικών στοιχείων; Αυτό το άρθρο θα σας οδηγήσει να καταλάβετε.
1. Τι είναι ένα θερμαντικό στοιχείο;
Ένα θερμαντικό στοιχείο είναι ένα υλικό ή μια συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια απευθείας σε θερμότητα ή θερμική ενέργεια μέσω μιας αρχής που ονομάζεται θέρμανση joule. Η θέρμανση Joule είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο ένας αγωγός παράγει θερμότητα λόγω της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από το υλικό, τα ηλεκτρόνια ή άλλοι φορείς φορτίου συγκρούονται με τα ιόντα ή τα άτομα του αγωγού, δημιουργώντας τριβή στην ατομική κλίμακα. Αυτή η τριβή στη συνέχεια εκδηλώνεται ως θερμότητα. Ο πρώτος νόμος του Joule (νόμος Joule-Lenz) χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη θερμότητα που παράγεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό. Αυτό εκφράζεται ως
P=IV ή P=I²R
Σύμφωνα με αυτές τις εξισώσεις, η θερμότητα που παράγεται εξαρτάται από το ρεύμα, την τάση ή την αντίσταση του υλικού του αγωγού. Στο σχεδιασμό ολόκληρου του θερμαντικού στοιχείου, η αντίσταση είναι ένας σημαντικός παράγοντας.
Η αρχή της θέρμανσης του αρχικού
Η θέρμανση Joule είναι εμφανής σε όλα τα αγώγιμα υλικά ποικίλης έντασης, εκτός από ένα ειδικό υλικό που ονομάζεται υπεραγωγός. Σε γενικές γραμμές, για αγώγιμα υλικά, παράγεται λιγότερη θερμότητα επειδή οι φορείς φορτίου ρέουν εύκολα. Για υλικά με υψηλή αντοχή, θα παράγεται περισσότερη θερμότητα. Οι υπεραγωγοί, από την άλλη πλευρά, επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει χωρίς να παράγει θερμότητα. Γενικά, η θερμότητα από έναν αγωγό ταξινομείται ως απώλεια ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την κίνηση του εξοπλισμού ισχύος παράγει περιττή θερμότητα με τη μορφή απωλειών μετάδοσης και τελικά δεν παράγει χρήσιμο έργο.
Κατά μία έννοια, η απόδοση του ηλεκτρικού στοιχείου θέρμανσης είναι σχεδόν 100 τοις εκατό, αφού όλη η ενέργεια που παρέχεται μετατρέπεται στην προβλεπόμενη μορφή. Το θερμαντικό στοιχείο όχι μόνο μεταφέρει τη θερμότητα, αλλά και μεταφέρει ενέργεια μέσω του φωτός και της ακτινοβολίας. Ωστόσο, αυτό ισχύει μόνο για ορισμένες ιδανικές αντιστάσεις. Η εγγενής χωρητικότητα και η επαγωγή του υλικού μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, αντίστοιχα, με αποτέλεσμα μικρές απώλειες. Λαμβάνοντας υπόψη ολόκληρο το σύστημα θέρμανσης, η απώλεια προέρχεται από τη θερμότητα που διαχέεται από το ρευστό διεργασίας ή τον ίδιο τον θερμαντήρα στο εξωτερικό περιβάλλον. Επομένως, το σύστημα πρέπει να απομονωθεί για να αξιοποιήσει όλη τη θερμότητα που παράγεται.
Δεύτερον, οι ιδιότητες του θερμαντικού στοιχείου
Όταν περνάει ρεύμα, σχεδόν όλοι οι αγωγοί μπορούν να παράγουν θερμότητα. Ωστόσο, δεν είναι όλοι οι αγωγοί κατάλληλοι για θερμαντικά στοιχεία. Απαιτείται ο σωστός συνδυασμός ηλεκτρικών, μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων. Τα παρακάτω είναι μερικά από τα χαρακτηριστικά που είναι σημαντικά για το σχεδιασμό των θερμαντικών στοιχείων.
Αντίσταση: Για να παράγει θερμότητα, το θερμαντικό στοιχείο πρέπει να έχει επαρκή αντίσταση. Ωστόσο, η αντίσταση δεν μπορεί να είναι αρκετά υψηλή για να γίνει μονωτής. Η αντίσταση είναι ίση με την ειδική αντίσταση πολλαπλασιαζόμενη με το μήκος του αγωγού διαιρούμενο με τη διατομή του αγωγού. Για μια δεδομένη διατομή, για να ληφθεί μικρότερος αγωγός, χρησιμοποιείται ένα υλικό με υψηλή ειδική αντίσταση.
Αντοχή στην οξείδωση: Η θερμότητα συνήθως επιταχύνει την οξείδωση μετάλλων και κεραμικών. Η οξείδωση καταναλώνει το θερμαντικό στοιχείο, μειώνοντας τη χωρητικότητά του ή καταστρέφοντας τη δομή του. Αυτό περιορίζει τη διάρκεια ζωής του στοιχείου θέρμανσης. Για τα μεταλλικά θερμαντικά στοιχεία, τα κράματα σχηματίζονται με οξείδια, τα οποία βοηθούν στην αντίσταση στην οξείδωση σχηματίζοντας ένα στρώμα παθητικοποίησης. Για κεραμικά θερμαντικά στοιχεία, η προστατευτική αντιοξειδωτική κλίμακα SiO2 ή Al2O3 είναι η πιο κοινή. Τύποι θερμαντικών στοιχείων που δεν είναι κατάλληλα για χρήση σε οξειδωτικά περιβάλλοντα, όπως ο γραφίτης, χρησιμοποιούνται συχνότερα σε κλίβανους κενού ή φούρνους που περιέχουν αέρια μη οξειδωτικής ατμόσφαιρας όπως H2, N2, Ar ή He, όπου δεν υπάρχει αέρας στον θάλαμο θέρμανσης.
Συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας: Σημειώστε ότι η ειδική αντίσταση του υλικού αλλάζει με τη θερμοκρασία. Στους περισσότερους αγωγούς, η αντίσταση αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο επηρεάζει ορισμένα υλικά πιο έντονα από άλλα. Ο υψηλός συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας χρησιμοποιείται κυρίως σε θερμικές εφαρμογές. Για τον πυρετό, είναι συνήθως προτιμότερο να χρησιμοποιείται χαμηλότερη τιμή. Αν και οι αλλαγές στην αντίσταση μπορούν να προβλεφθούν με ακρίβεια σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτείται απότομη αύξηση της αντίστασης για την παροχή μεγαλύτερης ισχύος. Για την προσαρμογή του συστήματος στη μεταβαλλόμενη ειδική αντίσταση, χρησιμοποιούνται συστήματα ελέγχου ή ανάδρασης.
Μηχανικές ιδιότητες: Τα άκαμπτα θερμαντικά στοιχεία παραμορφώνονται όταν χρησιμοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες. Καθώς το υλικό πλησιάζει το στάδιο τήξης ή ανακρυστάλλωσης του, το υλικό είναι πιο πιθανό να εξασθενήσει και να παραμορφωθεί σε σύγκριση με την κατάστασή του σε θερμοκρασία δωματίου. Ένα καλό θερμαντικό στοιχείο διατηρεί το σχήμα του ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες. Από την άλλη πλευρά, η ολκιμότητα είναι επίσης μια ιδανική μηχανική ιδιότητα, ειδικά για μεταλλικά θερμαντικά στοιχεία. Η ολκιμότητα επιτρέπει σε ένα υλικό να τραβιέται σε ένα νήμα και να διαμορφώνεται χωρίς να επηρεάζεται η αντοχή του σε εφελκυσμό.
Σημείο τήξης: Εκτός από τη σημαντικά αυξημένη θερμοκρασία οξείδωσης, το σημείο τήξης ενός υλικού περιορίζει επίσης τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Τα κεραμικά έχουν γενικά υψηλότερο σημείο τήξης από τα μεταλλικά θερμαντικά σώματα.