Lämmityslevyä käytetään laajalti erilaisissa lämmityslaitteissa, joiden ydin perustuu lämmityselementtiin, joten mikä on lämmityselementti? Mitkä ovat lämmityselementtien ominaisuudet? Tämä artikkeli auttaa sinua ymmärtämään.
1. Mikä on lämmityselementti?
Lämmityselementti on materiaali tai laite, joka muuntaa sähköenergian suoraan lämmöksi tai lämpöenergiaksi joule-lämmityksen periaatteen kautta. Joule-lämmitys on ilmiö, jossa johdin tuottaa lämpöä sähkövirran johdosta. Kun sähkövirta kulkee materiaalin läpi, elektronit tai muut varauksenkantajat törmäävät johtimen ioneihin tai atomiin, jolloin syntyy kitkaa atomimittakaavassa. Tämä kitka ilmenee sitten lämpönä. Joulen ensimmäistä lakia (Joule-Lenzin lakia) käytetään kuvaamaan sähkövirran tuottamaa lämpöä johtimessa. Tämä ilmaistaan mm.
P=IV tai P=I²R
Näiden yhtälöiden mukaan syntyvä lämpö riippuu johdinmateriaalin virrasta, jännitteestä tai resistanssista. Koko lämmityselementin suunnittelussa vastus on tärkeä tekijä.
Alkuperäisen lämmityksen periaate
Joule-kuumeneminen on ilmeistä kaikissa johtavissa materiaaleissa, joiden voimakkuus vaihtelee, lukuun ottamatta erityistä materiaalia, jota kutsutaan suprajohteeksi. Yleisesti ottaen johtavilla materiaaleilla syntyy vähemmän lämpöä, koska varauksenkantajat virtaavat helposti läpi; Korkean vastuksen omaaville materiaaleille syntyy enemmän lämpöä. Toisaalta suprajohteet sallivat virran kulkea ilman lämpöä. Yleensä johtimesta tuleva lämpö luokitellaan energiahäviöksi. Voimalaitteiden käyttämiseen käytetty sähköenergia tuottaa tarpeetonta lämpöä siirtohäviöiden muodossa, eikä lopulta tuota hyödyllistä työtä.
Sähköisen lämmityselementin hyötysuhde on tietyssä mielessä lähes 100 prosenttia, koska kaikki syötetty energia muunnetaan aiottuun muotoon. Lämmityselementti ei ainoastaan johda lämpöä, vaan myös siirtää energiaa valon ja säteilyn kautta. Tämä koskee kuitenkin vain joitain ihanteellisia vastuksia. Materiaalin luontainen kapasitanssi ja induktanssi muuntaa sähköenergian sähkö- ja magneettikentiksi, mikä johtaa pieniin häviöihin. Koko lämmitysjärjestelmä huomioon ottaen häviö tulee prosessinesteestä tai itse lämmittimestä ulkoiseen ympäristöön haihtuvasta lämmöstä. Siksi järjestelmä on eristettävä kaiken syntyneen lämmön hyödyntämiseksi.
Toiseksi lämmityselementin ominaisuudet
Kun virta kulkee läpi, lähes kaikki johtimet voivat tuottaa lämpöä. Kaikki johtimet eivät kuitenkaan sovellu lämmityselementteihin. Sähköisten, mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksien oikea yhdistelmä vaaditaan. Seuraavassa on joitain ominaisuuksia, jotka ovat tärkeitä lämmityselementtien suunnittelussa.
Resistanssi: Lämmön tuottamiseksi lämmityselementillä on oltava riittävä vastus. Resistanssi ei kuitenkaan voi olla tarpeeksi korkea eristeeksi. Resistanssi on yhtä suuri kuin resistanssi kerrottuna johtimen pituudella jaettuna johtimen poikkileikkauksella. Tietylle poikkileikkaukselle lyhyemmän johtimen saamiseksi käytetään materiaalia, jolla on korkea resistanssi.
Hapettumisenkestävyys: Lämpö yleensä nopeuttaa metallien ja keramiikan hapettumista. Hapeutuminen kuluttaa lämmityselementtiä vähentäen sen kapasiteettia tai vahingoittaen sen rakennetta. Tämä rajoittaa lämmityselementin käyttöikää. Metallisessa lämmityselementissä seokset muodostetaan oksideilla, jotka auttavat vastustamaan hapettumista muodostamalla passivointikerroksen. Keraamisissa lämmityselementeissä yleisin on SiO2:n tai Al2O3:n suojaava hapettumisenestoaste. Lämmityselementtejä, jotka eivät sovellu käytettäväksi hapettavassa ympäristössä, kuten grafiitti, käytetään yleisimmin tyhjiöuuneissa tai uuneissa, jotka sisältävät hapettamattomia kaasuja, kuten H2, N2, Ar tai He, joissa ei ole ilmaa lämmityskammiossa.
Lämpötilavastuskerroin: Huomaa, että materiaalin ominaisvastus muuttuu lämpötilan mukaan. Useimmissa johtimissa resistanssi kasvaa lämpötilan noustessa. Tämä ilmiö vaikuttaa joihinkin materiaaleihin voimakkaammin kuin toisiin. Korkean lämpötilan vastuskerrointa käytetään pääasiassa lämpösovelluksissa. Kuumeen on yleensä parempi käyttää pienempää arvoa. Vaikka vastuksen muutokset voidaan joissakin tapauksissa ennustaa tarkasti, resistanssin jyrkkä lisäys tarvitaan lisää tehoa. Järjestelmän mukauttamiseksi muuttuvaan resistiivisyyteen käytetään ohjaus- tai takaisinkytkentäjärjestelmiä.
Mekaaniset ominaisuudet: Jäykät lämmityselementit deformoituvat, kun niitä käytetään korkeissa lämpötiloissa. Kun materiaali lähestyy sulamis- tai uudelleenkiteytysvaihetta, materiaali heikkenee ja muotoutuu todennäköisemmin verrattuna huoneenlämpötilaan. Hyvä lämmityselementti säilyttää muotonsa korkeissakin lämpötiloissa. Toisaalta sitkeys on myös ihanteellinen mekaaninen ominaisuus, erityisesti metallisten lämmityselementtien kohdalla. Mutavuus mahdollistaa materiaalin vetämisen kierteeseen ja muotoilemisen vaikuttamatta sen vetolujuuteen.
Sulamispiste: Huomattavasti kohonneen hapetuslämpötilan lisäksi materiaalin sulamispiste rajoittaa myös sen käyttölämpötilaa. Keramiikalla on yleensä korkeampi sulamispiste kuin metallilämmittimillä.