Element grzewczy

Złożony rurkowy element grzejny z ekspresu do kawy

Symbol cewki grzejnej lub elementu grzejnego

Niektóre inne symbole używane dla cewek grzejnych lub elementów grzejnych

Element grzejny przekształca energię elektryczną w ciepło w procesie ogrzewania Joule'a . Prąd elektryczny przepływający przez element napotyka opór , co powoduje nagrzewanie się elementu. W przeciwieństwie do efektu Peltiera proces ten jest niezależny od kierunku prądu.

Rodzaje elementów grzejnych

Rurowy grzejnik elektryczny.

Element grzejny oporowy
izolator elektryczny
Metalowa obudowa

Zwinięty element grzejny z tostera elektrycznego

Metal

Drut oporowy: Metalowe oporowe elementy grzejne mogą być drutem lub taśmą, prostą lub zwiniętą. Stosowane są w typowych urządzeniach grzewczych, takich jak tostery i suszarki do włosów , piece do ogrzewania przemysłowego, ogrzewania podłogowego, ogrzewania dachowego, ogrzewania ścieżek do topienia śniegu, suszarek itp. Do najczęściej stosowanych klas materiałów należą:

Nichrom : Większość elementów grzejnych z drutem oporowym zwykle wykorzystuje drut, taśmę lub pasek nichromowy 80/20 (80% niklu , 20% chromu ). Nichrome 80/20 jest idealnym materiałem, ponieważ ma stosunkowo wysoką odporność i tworzy przyczepną warstwę tlenku chromu przy pierwszym podgrzewaniu. Materiał pod tą warstwą nie utlenia się, co zapobiega pękaniu lub przepalaniu się drutu.
Kanthala (FeCrAl).
miedzioniklu (CuNi) do ogrzewania niskotemperaturowego
Folia trawiona: Elementy z folii trawionej są zazwyczaj wykonane z tych samych stopów, co elementy z drutu oporowego, ale są wytwarzane w subtraktywnym procesie fototrawienia, który rozpoczyna się od ciągłego arkusza folii metalowej, a kończy złożonym wzorem oporu. Elementy te są powszechnie spotykane w precyzyjnych zastosowaniach grzewczych, takich jak diagnostyka medyczna i lotnictwo.

Ceramiczne i półprzewodnikowe

Dwukrzemek molibdenu (MoSi ₂ ), związek międzymetaliczny, krzemek molibdenu, jest ogniotrwałą ceramiką stosowaną głównie w elementach grzejnych. Ma umiarkowaną gęstość, temperaturę topnienia 2030 ° C (3686 ° F) i przewodzi prąd elektryczny. W wysokich temperaturach tworzy pasywacyjną warstwę dwutlenku krzemu, chroniąc go przed dalszym utlenianiem. Obszar zastosowania obejmuje przemysł szklarski , spiekanie ceramiki, piece do obróbki cieplnej i piece dyfuzyjne do półprzewodników .
Węglik krzemu , patrz węglik krzemu § elementy grzejne .
Azotek krzemu , patrz azotek krzemu w przemyśle motoryzacyjnym . Zapłonnik nowej generacji z gorącą powierzchnią do pieca gazowego i świecy żarowej silnika Diesla wykonane są z azotku krzemu. Taki element grzejny lub świeca żarowa osiągają maksymalną temperaturę 1400°C i szybko zapalają benzynę, olej napędowy czy naftę.
Elementy ceramiczne PTC: Nazwy materiałów ceramicznych PTC pochodzą od ich dodatniego termicznego współczynnika oporu (tj. opór wzrasta po podgrzaniu). Podczas gdy większość ceramiki ma ujemny , materiały te (często kompozyty tytanianu baru i tytanianu ołowiu ) mają wysoce nieliniową reakcję termiczną, tak że powyżej temperatury progowej zależnej od składu ich rezystancja gwałtownie wzrasta. Takie zachowanie powoduje, że materiał działa jak własny termostat , ponieważ prąd przepływa, gdy jest zimny, a nie, gdy jest gorący. Cienkie warstwy tego materiału stosowane są w grzejnikach odszraniających tylną szybę samochodową, a elementy w kształcie plastra miodu w droższych suszarkach do włosów , grzejnikach i najnowocześniejszych piecach na pellet . Taki element grzejny może osiągnąć temperaturę 950-1000 °C i jest chwalony za szybkość i stabilność temperatury.
Kwarcowe promienniki halogenowe na podczerwień są również wykorzystywane do ogrzewania promiennikowego .

Grzejniki grubowarstwowe

Grzejnik z grubej folii wydrukowany na arkuszu miki.

Grzejniki grubowarstwowe to rodzaj grzejnika rezystancyjnego, który można drukować na cienkim podłożu. Grzejniki grubowarstwowe wykazują różne zalety w porównaniu z konwencjonalnymi elementami oporowymi w osłonie metalowej. Ogólnie rzecz biorąc, elementy grubowarstwowe charakteryzują się niskim profilem, lepszą jednorodnością temperatury, szybką reakcją termiczną dzięki niskiej masie termicznej, niskim zużyciem energii, wysoką gęstością watową i szerokim zakresem kompatybilności napięciowej. Zazwyczaj grzejniki grubowarstwowe są drukowane na płaskich podłożach, a także na rurach w różnych wzorach grzejników. Grzejniki te mogą osiągać gęstość mocy nawet 100 W/cm ² w zależności od warunków wymiany ciepła. Wzory grzejników grubowarstwowych można w dużym stopniu dostosować w oparciu o rezystancję arkusza drukowanej pasty rezystorowej.

Grzejniki te można drukować na różnych podłożach, w tym na metalu, ceramice, szkle, polimerze przy użyciu grubych past foliowych zawierających metal/stop. Najczęstszymi podłożami używanymi do drukowania grzejników grubowarstwowych są aluminium 6061-T6, stal nierdzewna oraz arkusze miki z muskowitu lub flogopitu . Zastosowania i charakterystyki operacyjne tych grzejników różnią się znacznie w zależności od wybranych materiałów podłoża. Wynika to przede wszystkim z właściwości termicznych podłoża grzejnika.

Istnieje kilka konwencjonalnych zastosowań grzejników grubowarstwowych. Mogą być stosowane w patelniach, gofrownicach, elektrycznych grzejnikach kuchennych, nawilżaczach, czajnikach do herbaty, urządzeniach do zgrzewania, podgrzewaczach wody, żelazkach i parownicach, prostownicach do włosów, bojlerach, podgrzewanych łóżkach drukarek 3D, termicznych głowicach drukujących, pistoletach do klejenia, laboratoryjne urządzenia grzewcze, suszarki do ubrań, grzejniki listwowe, tace grzewcze, wymienniki ciepła, urządzenia do odmrażania/odmgławiania szyb samochodowych, lusterek bocznych itp., rozmrażania lodówek itp.

W przypadku większości zastosowań wydajność cieplna i rozkład temperatury to dwa kluczowe parametry projektowe. Aby uniknąć gorących punktów i utrzymać równomierny rozkład temperatury na podłożu, projekt obwodu można zoptymalizować, zmieniając lokalną gęstość mocy obwodu rezystora. Zoptymalizowana konstrukcja grzejnika pomaga kontrolować moc grzejnika i modulować lokalne temperatury na podłożu grzejnika. W przypadkach, gdy wymagane są 2 lub więcej stref grzewczych o różnej mocy wyjściowej na stosunkowo małej powierzchni, można zaprojektować grzejnik grubowarstwowy, aby uzyskać strefowy wzór ogrzewania na pojedynczym podłożu.

Grzejniki grubowarstwowe można w dużej mierze scharakteryzować w ramach dwóch podkategorii - ujemny współczynnik temperaturowy (NTC) lub dodatni współczynnik temperaturowy (PTC) w oparciu o wpływ wzrostu temperatury na rezystancję elementu. Grzałki typu NTC charakteryzują się spadkiem rezystancji wraz ze wzrostem temperatury grzałki i tym samym mają większą moc wyjściową przy wyższych temperaturach dla danego napięcia wejściowego. Grzałki PTC zachowują się odwrotnie ze wzrostem rezystancji i spadkiem mocy grzałki w podwyższonych temperaturach. Ta cecha grzejników PTC sprawia, że są one również samoregulujące, ponieważ ich moc wyjściowa nasyca się przy stałej temperaturze. Z drugiej strony grzejniki typu NTC zazwyczaj wymagają termostatu lub termoparę w celu kontrolowania niekontrolowanej pracy grzałki. Grzałki te są używane w zastosowaniach wymagających szybkiego wzrostu temperatury grzałki do określonej wartości zadanej, ponieważ zazwyczaj działają szybciej niż grzałki typu PTC.

Grzejnik grubowarstwowy drukowany na podłożu metalowym

Polimerowe elementy grzejne PTC

Elastyczna grzałka PTC wykonana z przewodzącej gumy

Grzejniki rezystancyjne mogą być wykonane z przewodzących materiałów gumowych PTC , których rezystywność rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. Taka grzałka będzie wytwarzać dużą moc, gdy jest zimno, i szybko się nagrzewa do stałej temperatury. Z powodu wykładniczo rosnącej rezystywności grzałka nigdy nie może się nagrzać do temperatury wyższej niż ta. Powyżej tej temperatury guma działa jak izolator elektryczny. Temperaturę można wybrać podczas produkcji gumy. Typowe temperatury mieszczą się w zakresie od 0 do 80 ° C (32 do 176 ° F).

grzejnik samoregulujący punktowo i grzejnik samoograniczający . Samoregulujący oznacza, że każdy punkt grzejnika niezależnie utrzymuje stałą temperaturę bez konieczności stosowania elektroniki regulacyjnej. Samoograniczanie oznacza, że grzejnik nigdy nie może przekroczyć określonej temperatury w żadnym punkcie i nie wymaga ochrony przed przegrzaniem.

Płyn

Kocioł elektrodowy wykorzystuje energię elektryczną przepływającą przez strumienie wody do wytwarzania pary.

Kompozytowe elementy grzejne

Element grzejny piekarnika rurowego

Elementy rurowe (osłonięte) zwykle składają się z cienkiego zwoju drutu ze stopu grzejnego oporowego z nichromu (NiCr), który jest umieszczony w metalowej rurze (ze stopów miedzi lub stali nierdzewnej, takiej jak Incoloy) i izolowany sproszkowanym tlenkiem magnezu . Aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci do higroskopijnego izolatora, końce są wyposażone w koraliki z materiału izolacyjnego, takiego jak kauczuk ceramiczny lub silikonowy, lub połączenie obu. Rura jest przeciągana przez matrycę, aby skompresować proszek i zmaksymalizować przewodzenie ciepła. Mogą to być pręty proste (jak w tosterach ) lub wygięty do kształtu obejmującego obszar do ogrzania (na przykład w kuchenkach elektrycznych , piekarnikach i ekspresach do kawy ).
Sitodrukowe ścieżki metalowo-ceramiczne osadzane na izolowanych ceramicznie płytach metalowych (głównie stalowych) znalazły szerokie zastosowanie jako elementy czajników i innych urządzeń gospodarstwa domowego od połowy lat 90.
Żarówka o dużej mocy zwykle działa z mocą mniejszą niż maksymalna, emitując głównie podczerwień zamiast światła widzialnego. Są one zwykle spotykane w promiennikach ciepła i podgrzewaczach do żywności, przybierając długą, cylindryczną formę lub formę lampy reflektorowej R40 . Styl lampy reflektorowej jest często zabarwiony na czerwono, aby zminimalizować wytwarzane światło widzialne; forma rurowa występuje w różnych formatach:
- Powlekane złotem — rozsławione przez opatentowaną lampę Phillips Helen. Po wewnętrznej stronie osadzona jest złota dichroiczna , która ogranicza światło widzialne i przepuszcza większość promieniowania podczerwonego o krótkich i średnich falach. Głównie do ogrzewania ludzi. Obecnie wielu producentów produkuje te lampy i stale je ulepsza.
- Powłoka rubinowa — taka sama funkcja jak lampy pokryte złotem, ale za ułamek ceny. Widoczny odblask jest znacznie wyższy niż w przypadku złotego wariantu.
- Przezroczysty - Bez powłoki i stosowany głównie w procesach produkcyjnych.
Zdejmowane elementy z rdzeniem ceramicznym wykorzystują zwinięty oporowy drut ze stopu grzejnego przewleczony przez jeden lub więcej cylindrycznych segmentów ceramicznych w celu uzyskania wymaganej długości (związanej z mocą wyjściową), z prętem środkowym lub bez. Włożony do metalowej osłony lub rurki uszczelnionej na jednym końcu, ten typ elementu umożliwia wymianę lub naprawę bez ingerencji w proces, zwykle podgrzewanie płynu pod ciśnieniem.

Kombinowane systemy elementów grzejnych

pieców wysokotemperaturowych są często wykonane z egzotycznych materiałów, w tym platyny , dwukrzemku wolframu / dwukrzemku molibdenu , molibdenu ( piece próżniowe ) i węglika krzemu . Gorące powierzchniowe zapalniki z węglika krzemu , które są elementami grzejnymi przeznaczonymi do zapalania łatwopalnego gazu, są powszechne w piekarnikach gazowych i suszarkach do ubrań. Grzejniki laserowe są również wykorzystywane do osiągania wysokich temperatur.

Zobacz też