Энергия электротока в зависимости от преобразования его потребителем может превращаться в другие различные виды: механическую, световую, тепловую и т.д. Трансформацию электроэнергии в тепловую энергию производят электрические нагреватели. Электрические нагреватели это тепловыделяющие приборы, работающие по принципу преобразования электротока в тепловую энергию. По типу преобразования они делятся на резистивные, индукционные, высокочастотные преобразователи. Резистивные изготавливаются из различных сплавов имеющих большое удельное сопротивление. Если на некотором участке электрической цепи нет потребления, то вся энергия тока идёт на нагрев подводящих проводов. Если же на участке цепи поставить некоторый прибор, то выделенная им тепловая энергия рассчитывается по формуле:
Q = I2 * R * t
Где:
♦ Q – количество выделенной теплоты (Дж);
♦ I2 – сила тока в цепи (А);
♦ R- сопротивление нагревательного прибора (Ом);
♦ t – время (с).
Нагреватель нихромовая спираль
Материал нагревателя
На современном этапе развития электротехники различают следующие типы резистивных нагревателей: открытые, закрытые. В свою очередь закрытые производятся в форме герметичных и негерметичных конструкций. Электрические нагреватели открытого типа, являющиеся электрическими, тепловыделяющими приборами выполнены, как правило, на основе проволочной нихромовой спирали, имеющей большое сопротивление. Проволока изготавливается из материала на базе железа или сплава никеля и хрома в соотношении (80% и 20%). К образцам хромоникелевых сплавов можно отнести марки: Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С). Данные сплавы имеют хорошие характеристики по жаропрочности и жаростойкости и способны работать при больших температурах. Высокой жаропрочности материала способствует пленка, созданная на поверхности спирали из оксида хрома. Плавление данной плёнки происходит при температурах, которые выше чем у сплава спирали и она не подвержена растрескиванию при изменении нагрева проволоки. Нагреватель нихромовая спираль – устройство, используемые для изготовления электрических нагревателей. Использование нихромовых спиралей в качестве термической поверхности вызвано рядом положительных характеристик присущих сплавам, из которых они сделаны: высокой пластичностью; большим удельным сопротивлением; отличной степенью жаростойкости сплавов никеля с хромом; небольшим тепловым коэффициентом сопротивления. Материал из никелево - хромового сплава в указанных пропорциях является наиболее оптимальным для изготовления спиралей. Он имеет высокую температуру плавления (1400° C), не окисляется даже при сильном разогреве, имеет небольшой коэффициент расширения и почти стабильное сопротивление (отклонение порядка 10% от номинала) при изменении температуры от комнатной до максимально рабочей. При протекании тока по нихромовой спирали электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию и отдаёт тепло посредством конвекции или инфракрасным излучением. Основным их недостатком является отсутствие изоляции нагревающего провода от внешней среды, что может привести к удару током либо возникновению пожара, а также к выжиганию кислорода.
Конструкция негерметичной закрытой формы представляет собой проволочную спираль, помещённую в изолятор. Изолятор, как правило, применяется в форме керамических бус позволяющих сохранять гибкость спирали при механических нагрузках и защищает от поражения током. К недостатку такой конструкции относится то, что механическая прочность бус недостаточно велика. Поэтому следует учитывать эти минусы при установке обогревателей с открытой спиралью и принимать все меры предосторожности с целью устранения тяжёлых последствий. Средой применения нихромовой спирали открытого типа является, как правило, открытая воздушная сфера или инертные газы.
Трубчатый нагреватель элемент
Трубчатый нагреватель закрытой герметичной формы выполняется в виде нихромовой спирали, размещённой в металлическом кожухе (из нержавеющей стали, сплавов, таких как инколоя или медь), который состоит из двух кольцевых чашек. Кожух, как правило, изготавливается из нержавеющей, углеродистой или жаропрочной стали заполненный спрессованным изоляционным порошком оксида магния, отделяющим нихромовую спираль, по которой протекает ток от металлической поверхности кожуха. Трубчатый нагреватель – тепловыделяющее устройство конструктивно представляющее из собой электрическую спираль помещённую в металлическую трубку и запрессованную теплопроводящим изолятором. Температура нагрева может достигать порядка 500˚C и более. Чтобы влага не попадала в гигроскопический изолятор, концы нагревательных элементов закрываются керамикой либо силиконовым каучуком. Такие формы защищают от случайного поражения током и имеют жесткую конструкцию устойчивую к механическим нагрузкам, способны работать при больших вибрациях, срок службы несравненно больше чем у открытого. Недостатком является то, что скорость нагрева и КПД преобразования электроэнергии значительно ниже, чем у открытого типа. Средой эксплуатации этого типа являются различные газы или жидкости. При этом эти среды могут находиться как в спокойном состоянии, так и в сильном хаотичном движении. Для повышения КПД и улучшения теплоотдачи нагревательных элементов, работающих в воздушной среде, на них навешивают металлические рёбра в виде витой ленты. Нагревательные ТЭН, работающие в жидкой среде, называют погружными нагревателями. Они применяются там, где необходимо быстро и эффективно повысить температуру жидкости без угрозы получения ожога либо электрического удара током. К таким жидкостям относятся химические растворы гальванических ванн, слабые кислоты, различные масла и вода различной жёсткости. Погружные ТЭН продуктивно используются в таких технологических системах как масленых радиаторах, котлах водонагревателей, титанах для кипячения воды. Особенностью применения является то, что при использовании их в воде содержащей различные примеси, возможно, появления накипи на корпусе теплообменника. Это может привести к уменьшению теплоотдачи, что в свою очередь провоцирует перегрев элемента и перегоранию спирали расположенной внутри его. Чтобы избежать такого эффекта, необходимо периодически производить очистку поверхности трубчатого электрического нагревателя с помощью различных химических средств. Область применения: электрические печи; тепловые пушки; тостеры; кофеварки; водонагреватели и т. д.
Керамические нагреватели
Керамические электрические нагреватели являются более предпочтительными во многих отношениях проволочным нагревателям. Как правило, они работают дольше и обеспечивают более равномерное тепло, чем нихромовая спираль открытого типа. Керамические нагреватели представляют собой резистивный кусок керамики производящий тепло при протекании через него электротока. Проволочные тепловыделяющие поверхности в конечном итоге сгорают и перестают производить тепло, и потенциально могут привести к пожару, если они вступят в контакт с горючими материалами. Основным преимуществом керамических нагревателей является то, что он могут более равномерно распределять тепло. Это позволяет более экономично использовать вырабатываемое тепло, применяя его там, где необходимо и не тратить впустую электрическую энергию. Керамический нагреватель выдерживает десятки тысяч циклов нагрева и охлаждения без возможного образования трещин или разрыва, в то время как нихромовая спираль обычно становится хрупкой после нескольких циклов нагрева. Особо устойчивы к нагрузкам и более экономичны керамические тепловыделяющие поверхности, изготовленные с применением положительного температурного коэффициента.
Электрические нагреватели элементы с положительным температурным коэффициентом (ПТК) производятся на основе керамики (титаната бария или композита титаната свинца) которые имеют сильную нелинейную тепловую зависимость, т.е. сопротивление возрастает при повышении температуры. Такая корреляция позволяет организовать работу подобно греющему элементу с установленным на нём термостатом, так как ток имеет максимальное своё значение тогда, когда нагреватель находится в холодном состоянии и минимальное значение, когда горячий. Это означает то, что если температура снижается, то и сопротивление становится меньше, что в свою очередь приводит к увеличению тока, протекающему через керамический нагревательный элемент, таким образом, увеличивается его разогрев. Аналогично только с противоположенным направлением изменения сопротивления происходит при повышении температуры, если нагрев растёт, то сопротивление увеличивается, ограничивая протекание тока через устройство, и таким образом оно охлаждается. В конечном итоге наступает момент, когда потребляемая устройством мощность практически становится постоянной и не зависит от увеличения, подаваемого на него напряжения. Электрические плоские нагреватели, собранные на керамических тепловыделяющих поверхностях являются отличным выбором для получения контролируемого электрического тепла без применения терморегулирующих устройств. Плёнки на основе этого материала применяются для оттаивания заднего стекла автомобиля либо в более дорогих обогревателях.
Вихревой индукционный нагреватель
Электрические нагревательные элементы индукционного типа работают по принципу нагрева токопроводящих материалов током, полученным с помощью переменного магнитного поля. Сила генерируемого тока протекающего через нагреваемый объект зависит от множества факторов включающих магнитную проницаемость и удельное сопротивление материала в сочетании с плотностью мощности. Однако основным параметром является частота переменного тока в катушке а, следовательно, и скорость изменения магнитного поля. Переменное электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в разогреваемом объекте и в результате чего разогреваются его верхний слой. Вихревой индукционный нагреватель – устройство, обеспечивающие за счёт электромагнитного поля бесконтактный нагрев токопроводящих материалов. Кроме того, высокая частота приводит к образованию скин – эффекта, т.е. переменный ток вынужден течь в тонком слое по направлению к поверхности. Это, в свою очередь, приводит к повышению сопротивления проводника, результатом чего становится значительное возрастание эффекта нагрева. Металлическая посуда нагревается быстрее, чем любая другая. Это происходит, потому что в дополнение к вихревым токам возникает ещё один механизм нагрева. Так как кристаллы металла периодически намагничиваются и размагничиваются в переменном магнитном поле, то это приводит к движению магнитных доменов. Движение доменов в магнитном поле вызывает потери на гистерезис и дополнительно повышает температуру. Интересно отметить, что сталь теряет свои магнитные свойства при нагревании выше 700° C, эта точка называется температурой Кюри. Это означает что при температуре выше 700° C невозможно никакого нагрева материала из-за потерь на гистерезис. Любое дальнейшее нагревание материала должно быть обусловлено только на основе индуцированных вихревых токов. Индукционные катушки располагаются под керамической поверхностью, индуцируя электрический ток, в посуде производя при этом тепло. Керамическая плоскость должна быть довольно крепкой, чтобы выдерживать интенсивное её использование. Функционирование происходит под постоянным контролем вырабатываемого тепла, т.е. регулируется установленным в цепь термостатом. Эти устройства являются наиболее энергетически эффективными, так как они нагревают непосредственно посуду, исключая передачу тепла от источника к нагреваемой поверхности через промежуточную среду. Одним из примеров нагревателя индукционного типа могут служить конфорки варочной панели электрической плиты. В процессе функционирования панель остаётся холодной нагревается только посуда, которая должна иметь ровное дно, обладающее ферромагнитными свойствами (алюминий, жаростойкое стекло, нержавеющий металл).
Высокочастотный нагреватель
Принцип использования основан на дипольной поляризации молекул полярного диэлектрика. Дипольная поляризация это ориентация диполя по направлению электрического поля. Если внешнего поля нет, то молекулы полярного диэлектрика находятся в состоянии хаотического движения и направлены произвольным образом. При подаче высокочастотного электрического поля электростатические силы разворачивают молекулы по направлению силовых линий, и угол их поворота зависит от напряжённости используемого поля. Процесс поляризации молекул приводит к выделению теплоты за счёт трения возникающего между ними. Чем больше частота электромагнитного поля, тем сильнее происходит выделение тепловой энергии, и тем равномернее разогревается вещество. Высокочастотный нагреватель – установка позволяющая производить равномерный нагрев вещества за счёт направленного перемещения связанных электрических зарядов, то есть эффекта поляризации диполей. Этот метод разогрева широко применяется для тех веществ, в состав которых входят водные растворы, содержащие различные соли. Молекулы данных растворов распадаются на ионы, которые служат носителями электрических зарядов отзывающиеся на изменение магнитного поля и дополнительно повышают количество выделяемой теплоты. Вещества, в которых поляризация молекул имеет небольшое значение, и электропроводимость практически отсутствует, нагрева электромагнитным полем не происходит. К ним относятся такие материалы как: фарфор, стекло, фаянс, полимеры, а также воздух и инертные газы. Высокочастотные нагреватели преобразуют электрическую энергию в тепловую используя принцип нагрева материалов переменным во времени электрическим полем. Отличие данного вида от выше представленных нагревателей заключается в том, что тепло в нём передаётся нагреваемому телу объёмно и, как правило, неоднородно распределено. Чем больше частота (диапазон 0,4 — 10 ГГц.) тем меньше глубина проникновения этого высокочастотного поля в толщину прогреваемого объекта и наоборот чем меньше частота (диапазон 10 — 100 кГц.) тем глубже и равномернее прогревается объект. В первом случае высокочастотный нагреватель является сверхвысокочастотным (СВЧ) во втором преобразователь с равномерным нагревом токами высокой частоты. Простым примером высокочастотного нагревателя (частота порядка 2450 МГц.) служит микроволновая печь, обеспечивающая быстрое приготовление пищи и размораживание продуктов.
Электрические нагреватели на базе токопроводящей пасты
Электрические нагреватели на базе токопроводящей пасты - экономичные тонкие теплоотдающие приборы с низкой инертностью и идеально равномерным тепловым потоком.
Это новый класс нагревательных элементов, на металлическом основании изготавливаемый по микроэлектронной технологии воплотил в себе основные достоинства проволочных и керамических нагревателей и позволил избавиться от некоторых их недостатков.
Имея защиту от удара электрическим током, они обладают низким коэффициентом тепловых потерь и как результат большим КПД. Что позволяет создать равномерный нагрев по всей площади термоэлемента. Показывают высокую устойчивость ко всем видам вибрации.
Имеют минимальную инерцию нагрева, что допускает использовать их в системах, где тепловая инерция играет важную роль при получении конечного результата. Более подробную информацию по характеристикам и применению можно получить в разделе
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.