A fűtőlapot széles körben használják különféle fűtőberendezésekben, amelyek magja a fűtőelemen alapul, tehát mi a fűtőelem? Melyek a fűtőelemek tulajdonságai? Ez a cikk elvezeti Önt ennek megértéséhez.
1. Mi az a fűtőelem?
A fűtőelem olyan anyag vagy eszköz, amely az elektromos energiát közvetlenül hő- vagy hőenergiává alakítja a joule fűtésnek nevezett elven keresztül. A Joule-fűtés olyan jelenség, amelyben egy vezető hőt termel az elektromos áram áramlása miatt. Amikor elektromos áram folyik át az anyagon, az elektronok vagy más töltéshordozók ütköznek a vezető ionjaival vagy atomjaival, ami atomi léptékű súrlódást okoz. Ez a súrlódás azután hőként nyilvánul meg. Az első Joule-törvény (Joule-Lenz törvény) a vezetőben lévő elektromos áram által termelt hő leírására szolgál. Ezt úgy fejezik ki,
P=IV vagy P=I²R
Ezen egyenletek szerint a keletkező hő a vezető anyagának áramától, feszültségétől vagy ellenállásától függ. A teljes fűtőelem kialakításánál az ellenállás fontos tényező.
Az eredeti melegítésének elve
A Joule-melegedés minden változó intenzitású vezetőképes anyagban nyilvánvaló, kivéve egy speciális anyagot, amelyet szupravezetőnek neveznek. Általában a vezető anyagoknál kevesebb hő keletkezik, mivel a töltéshordozók könnyen átfolynak; A nagy ellenállású anyagoknál több hő keletkezik. A szupravezetők viszont lehetővé teszik az áram áramlását anélkül, hogy hőt termelnének. Általában a vezetőből származó hő energiaveszteségnek minősül. Az erősáramú berendezések meghajtására használt elektromos energia szükségtelen hőt termel átviteli veszteségek formájában, és végül nem végez hasznos munkát.
Bizonyos értelemben az elektromos fűtőelem hatásfoka közel 100 százalékos, mivel az összes szolgáltatott energia a rendeltetésszerű formájára alakul. A fűtőelem nemcsak hőt vezet, hanem energiát is ad át fény és sugárzás révén. Ez azonban csak néhány ideális ellenállásra vonatkozik. Az anyag saját kapacitása és induktivitása az elektromos energiát elektromos, illetve mágneses mezővé alakítja, ami csekély veszteségeket eredményez. A teljes fűtőrendszert figyelembe véve a veszteség a technológiai közegből vagy magából a fűtőberendezésből a külső környezetbe távozó hőből származik. Ezért a rendszert le kell szigetelni, hogy az összes termelt hőt felhasználhassa.
Másodszor, a fűtőelem tulajdonságai
Amikor az áram áthalad, szinte minden vezető képes hőt termelni. Azonban nem minden vezeték alkalmas fűtőelemekhez. Az elektromos, mechanikai és kémiai tulajdonságok megfelelő kombinációja szükséges. Az alábbiakban felsorolunk néhány olyan jellemzőt, amelyek fontosak a fűtőelemek tervezése szempontjából.
Ellenállás: A hőtermeléshez a fűtőelemnek elegendő ellenállással kell rendelkeznie. Az ellenállás azonban nem lehet elég nagy ahhoz, hogy szigetelővé váljon. Az ellenállás egyenlő az ellenállás szorozva a vezeték hosszával osztva a vezeték keresztmetszetével. Adott keresztmetszethez a rövidebb vezető elérése érdekében nagy ellenállású anyagot használnak.
Oxidációállóság: A hő általában felgyorsítja a fémek és kerámiák oxidációját. Az oxidáció felemészti a fűtőelemet, csökkenti a kapacitását vagy károsítja a szerkezetét. Ez korlátozza a fűtőelem élettartamát. A fém fűtőelemekhez az ötvözetek oxidokkal készülnek, amelyek passzivációs réteg kialakításával segítenek ellenállni az oxidációnak. A kerámia fűtőelemeknél a SiO2 vagy Al2O3 védőréteg a legelterjedtebb. Az olyan típusú fűtőelemeket, amelyek nem alkalmasak oxidáló környezetben való használatra, mint például a grafit, leggyakrabban vákuumkemencékben használják, vagy olyan kemencékben, amelyek nem oxidáló légköri gázokat tartalmaznak, például H2, N2, Ar vagy He, ahol nincs levegő. a fűtőkamrában.
Hőmérsékleti ellenállási együttható: Vegye figyelembe, hogy az anyag ellenállása a hőmérséklettel változik. A legtöbb vezetékben az ellenállás a hőmérséklet emelkedésével nő. Ez a jelenség bizonyos anyagokat erősebben érint, mint másokat. A magas hőmérsékleti ellenállási együtthatót főként termikus alkalmazásokban használják. Láz esetén általában célszerű alacsonyabb értéket használni. Bár az ellenállás változásai bizonyos esetekben pontosan megjósolhatók, az ellenállás meredek növelése szükséges a nagyobb teljesítmény biztosításához. A rendszernek a változó ellenálláshoz való igazításához vezérlő vagy visszacsatoló rendszereket alkalmaznak.
Mechanikai tulajdonságok: A merev fűtőelemek deformálódnak, ha magas hőmérsékleten használják. Ahogy az anyag olvadási vagy átkristályosodási szakaszához közeledik, az anyag nagyobb valószínűséggel gyengül és deformálódik, mint szobahőmérsékleten. A jó fűtőelem magas hőmérsékleten is megtartja alakját. Másrészt a hajlékonyság is ideális mechanikai tulajdonság, különösen fém fűtőelemeknél. A hajlékonyság lehetővé teszi, hogy az anyagot menetbe húzzák és formázzák anélkül, hogy befolyásolnák a szakítószilárdságát.
Olvadáspont: Az oxidáció jelentősen megnövekedett hőmérséklete mellett az anyag olvadáspontja is korlátozza az üzemi hőmérsékletét. A kerámiák általában magasabb olvadásponttal rendelkeznek, mint a fémmelegítők.