加热元件 电加热器基础综合知识概述

加热元件 电加热器基础综合知识概述

2021年10月4日 0 By heater King

加热元件 是什么?电加热器如何工作?有什么类型的产品?有什么类型的加热材料?关于加热元件的综合基础知识概述。

        

一、什么是加热元件?

加热元件是通过称为焦耳加热的原理将电能直接转换为热或热能的材料或装置。焦耳热是导体因电流流动而产生热量的现象。当电流流过材料时,电子或其他电荷载流子与导体的离子或原子发生碰撞,从而在原子尺度上产生摩擦。这种摩擦然后表现为热量。焦耳第一定律(Joule-Lenz law)用于描述导体中电流产生的热量。这表示为,

P = IV 或 P = I²R

根据这些方程,产生的热量取决于电流、电压或导体材料的电阻。在整个加热元件的设计中,电阻是比较重要的因素。

焦耳热在所有不同强度的导电材料中表现都很明显,除了一种称为超导体的特殊材料。通常,对于导电材料,由于电荷载流子很容易流过,因此产生的热量较少;而对于电阻高的材料,会产生比较多的热量。另一方面,超导体允许电流流动但不产生任何热量。通常来说,来自导体的热量被归类为能量损失。用于驱动动力设备的电能会以输送损耗的形式产生不必要的热量,最终不会产生任何有用的功。

加热元件 加热器在带保温防止热损耗的加热储罐的应用

从某种意义上说,电加热元件的效率几乎为 100%,因为所有提供的能量都转换为其预期形式。加热元件不仅可以传导热量,还可以通过光和辐射传递能量。然而,这仅适用于部分理想电阻器。材料的固有电容和电感可以分别将电能转换为电场和磁场,从而产生轻微的损耗。考虑到整个加热器系统,损失来自从过程流体或加热器本身向外部环境散发的热量。因此,系统必须隔离以利用所有产生的热量。

      

二、加热元件属性

当电流通过时,几乎所有的导体都能产生热量。然而,并非所有导体都适合制成加热元件。电气、机械和化学特性的正确组合是必需的。下面列举的是对加热元件设计很重要的特性。

  • 电阻率:要产生热量,加热元件必须具有足够的电阻。但是,电阻不能高到成为绝缘体。电阻等于电阻率乘以导体长度除以导体横截面。对于给定的横截面,为了获得更短的导体,使用具有高电阻率的材料。
加热元件 电阻、长度、横截面关系函数
  • 抗氧化性热量通常会加速金属和陶瓷的氧化。氧化会消耗加热元件,从而降低其容量或损害其结构。这限制了加热元件的寿命。对于金属加热元件,与氧化物形成合金,有助于通过形成钝化层来抵抗氧化。对于陶瓷加热元件,SiO2 或 Al2O3 的保护性抗氧化垢是最常见的。不适合在氧化环境中使用的加热元件类型,如石墨,最常用于真空炉,或含有非氧化气氛气体(如 H2、N2、Ar 或 He)的炉子,其中加热室中没有空气.
  • 电阻温度系数:注意材料的电阻率随温度变化。在大多数导体中,随着温度升高,电阻也会增加。这种现象对某些材料的影响比其他材料更显着。较高的电阻温度系数主要用于热敏应用。对于发热,通常最好使用较低的值。尽管在某些情况下可以准确预测电阻的变化,但需要电阻的急剧增加以提供更多功率。为了使系统适应不断变化的电阻率,采用了控制或反馈系统。
加热元件 温度-电阻曲线图
  • 机械性能:刚性加热元件在高温下使用时会变形。随着材料接近其熔融或再结晶阶段,与室温下的状态相比,材料会更容易变弱和变形。一个好的加热元件即使在高温下也能保持其形状。另一方面,延展性也是一种理想的机械性能,尤其是对于金属加热元件。延展性使材料能够被拉成线并成型,而不会影响其拉伸强度。
  • 熔点:除了氧化显着增加的温度外,材料的熔点也限制了其工作温度。陶瓷通常比金属加热器具有更高的熔点。

        

三、加热元件材料

加热元件材料属性将选择范围缩小到几种材料。最常见的材料是镍铬合金、铁铬铝合金、硅化钼和碳化硅。这些材料可以在高温下工作,因为它们具有抗高温氧化的能力。另一组由石墨、钼、钨和钽组成。这些材料在高温下氧化,多用于真空环境或无氧气氛的熔炉中。

镍铬 (Ni-Cr) 合金

由于其延展性、高电阻率和即使在高温下也具有抗氧化性,这种类型是最广泛使用的加热元件材料之一。镍铬合金最常见的成分是 80/20 或 80% 的镍、20% 的铬。其他组合物取决于制造商。由于其高延展性,当用作加热元件时,它通常被拉成线。表现出这种特性的一个常见应用是热线泡沫切割器。镍铬丝的最高加热温度约为 1,100 至 1,200°C。

加热元件 镍铬合金线

铁铬铝(Fe-Cr-Al)合金

这种类型铁素体铁铬铝合金的化学成分通常为 20% 至 24% 的铬、4-6% 的铝和铁作为余量。与镍铬相比,铁铬铝加热器具有柔韧性和较低的重量。它们还可以产生比镍铬线更高的温度,约为 1,300 至 1,400°C。由于以铁为基础金属,这种合金的价格波动小于主要由镍组成的 Ni-Cr。使用铁铬铝合金的缺点是它们在较高温度下的强度降低。

铁铬铝合金可以通过称为粉末冶金的工艺制造得更好。在这个过程中,合金锭变成粉末并压缩成模具。然后在温度受控的气氛中烧结或热压(热等静压)以在不完全熔化粉末金属的情况下产生冶金结合。将分散体添加到合金混合物中以增强材料的机械性能,从而在更高的温度下赋予额外的强度和韧性。

二硅化钼 (MoSi2)

二硅化钼是一种耐火金属陶瓷(陶瓷金属复合材料),主要用作加热元件材料。由于其高熔点和良好的耐腐蚀性,这是一种理想的高温炉材料。硅化钼加热元件是通过机械合金化、燃烧合成、冲击合成和热等静压等各种能源密集型工艺生产的。

MoSi₂ 型加热器可实现高达 1,900°C 的加热温度。使用硅化钼的缺点是其在环境条件下的低韧性和高温蠕变。它在室温下很脆,需要非常小心地处理。在 1,000°C 左右的脆-韧转变温度下实现了更高的韧性。另一方面,较高的蠕变率会导致加热元件在高温下容易变形。最常见的 MoSi2 元素类型是 2 柄发夹设计,通常悬挂在炉顶上,并位于炉壁周围。其他形状通常与陶瓷绝缘成型器结合使用,作为集成封装提供机械支撑和隔热。

碳化硅 (SiC)

这是一种通过 SiC 晶粒在高于 2,100°C 的温度下再结晶或反应结合而生产的陶瓷。碳化硅加热元件是多孔体(通常为 8-25%),其中炉内气氛可以通过材料的横截面发生反应。整个加热元件可能会逐渐氧化,这会导致元件的电阻特性随时间增加(通常称为“老化”) 通常需要可变电压电源以通过逐渐保持元件的所需功率输出在元件的使用寿命期间增加元件的电压。这种老化最终会限制加热元件的寿命和性能。

碳化硅具有许多特性,使其适用于制造适用于极高工作温度的加热元件。这种陶瓷没有液相。这意味着元件在任何温度下都不会因蠕变而下垂或变形,并且炉内不需要支撑。碳化硅在约 2,700°C 的温度下直接升华。此外,它对大多数工艺流体具有化学惰性,并且具有高刚性和低热膨胀系数。碳化硅加热器可以达到大约 1,600 至 1,700°C 的加热温度。

石墨

石墨是一种由碳组成的矿物,其中原子以六边形结构排列。这种矿物,也是其合成形式,是一种良好的热导体和电导体。石墨可以在高于 2,000°C 的温度下产生热量。在高温下,其电阻显着增加。此外,它可以承受热冲击,即使经过快速加热和冷却循环也不会变脆。使用石墨的主要缺点是它在 500°C 左右的温度下容易氧化。在此范围内继续使用最终会导致材料消耗。石墨加热元件通常用于真空炉中,其中氧气和其他气体从加热室中排出。缺氧不仅可以防止熔融金属氧化,还可以防止加热元件本身氧化。石墨可用于封膜,做成 碳晶电热膜石墨烯电热膜 类的 薄膜加热器 产品。

石墨加热元件 石墨加热器材料

钼、钨和钽

当用作加热元件时,它们是具有与石墨相似特性的难熔金属。在这些金属中,钨的工作温度最高,但也更贵。在可行性方面,钼更受欢迎,因为它最便宜,但仍然比石墨贵。与石墨一样,它们只能在真空条件下使用,因为它们与氧气甚至氢气和氮气具有很强的结合亲和力。它们在大约 300 到 500°C 的温度下开始氧化。

正温度系数 (PTC) 材料

典型的 PTC 材料是橡胶,但也可以是陶瓷。PTC 橡胶由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和碳纳米颗粒制成。PTC加热器 具有独特的特性,即加热器通过随着温度升高而增加电阻来维持或限制电流流动。这使得该材料安全且适用于服装、医疗设备等恒温及智能自控温行业。最初,加热器消耗全部功率并由于其电阻率而升温。材料的电阻随着热量的升高而增加,然后充当绝缘体。这是在不需要任何反馈回路的情况下实现的。

PTC正温度系数材料 自控温加热片-STC电热膜-自限温加热元件

        

四、加热元件的类型

单独的加热元件不包括整个加热系统。除了加热元件外,加热器还包括端子、引线、绝缘材料、填料、护套和密封件。这些加热器具有各种形式和配置以适应特定应用。下面列举的是最常见的加热器及其应用。

  • 空气过程加热器:顾名思义,这种类型的加热器用于加热流动的空气。空气处理加热器基本上是一根加热管或管道,其中一端用于引入冷空气,而另一端是热空气出口。沿着管道壁是由陶瓷和非导电垫圈绝缘的加热元件线圈。这些通常用于高流量、低压应用。空气处理加热器的应用包括热收缩、层压、粘合剂活化或固化、干燥、烘烤等。
空气过程加热器 加热元件
各种类型加热元件 空气过程加热器
  • 筒式加热器:在这种类型的加热器中,电阻丝缠绕在陶瓷芯上,陶瓷芯通常由压实的氧化镁制成。矩形配置也可用,其中电阻丝线圈沿墨盒长度通过三到五次。电阻丝或加热元件位于护套材料的壁附近,以实现最大的热传递。为了保护内部构件,护套通常由不锈钢等耐腐蚀材料制成。引线通常是柔性的,它们的两个终端都位于墨盒的一端。筒式加热器用于模具加热、流体加热(浸入式加热器)和表面加热。
筒式加热器 加热元件
筒式加热器 加热元件
  • 管式加热器管式加热器的内部结构与筒式加热器相同。它与筒式加热器的主要区别在于引线端子位于管的两端。整个管状结构可以弯曲成不同的形式,以适应待加热空间或表面所需的热量分布。此外,这些加热器可以具有机械结合到护套表面的翅片,以帮助有效的热传递。管状加热器与筒式加热器一样通用,并用于类似的应用。
圆形管状加热器 管式加热器定制
管式加热器 远红外加热管 圆形管状加热器 管式加热器定制
  • 带式加热器:这些加热器设计用于包裹圆柱形金属表面或容器,例如管道、桶、鼓、挤出机等。它们具有螺栓固定的锁片,可牢固地夹在容器表面上。在带内,加热器是一根细电阻丝或带,通常由云母层绝缘。护套由不锈钢或黄铜制成。使用带式加热器的另一个优点是它可以间接加热容器内的流体。这意味着加热器不会受到来自过程流体的任何化学侵蚀。当用于油和润滑剂服务时,也可以防止可能着火。
陶瓷绝缘带式加热器 陶瓷带加热器 加热元件
陶瓷绝缘带式加热器 陶瓷带加热器
  • 带状加热器:这种类型的加热器呈扁平矩形,并用螺栓固定在要加热的表面上。它的内部结构类似于带式加热器。然而,除了云母之外的绝缘材料可以是陶瓷,例如氧化镁和玻璃纤维。带状加热器的典型用途是模具、模具、压盘、罐、管道等的表面加热。除了表面加热外,它们还可以通过具有翅片表面用于空气或流体加热。在烤箱和空间加热器中可以看到翅片式加热器。
带状加热器  云母加热器-云母带加热元件
带状加热器 云母加热器-云母带加热元件
  • 蚀刻箔加热器:蚀刻箔加热器也可称为薄膜加热器。在这种类型中,电阻加热材料被蚀刻并粘合到通常由铝制成的箔上。如果需要更高的柔韧性和抗撕裂性,基材也可以由耐热合成橡胶或热塑性聚氨酯 (TPU) 制成,常见的PET电热膜FPC电热膜硅胶电热片 等柔性加热片使用的多为蚀刻箔加热器。除了其灵活性之外,另一个优点是加热元件的紧密间距。这是光化学蚀刻的先天优势。甚至可以在如此小的形式中实现具有更大热密度的热分布。与传统的金属丝加热器相比,它的应用更加专业。蚀刻箔加热器通常用于医疗设备、电子和仪器仪表、航空航天和服装。一侧可以衬有粘合剂层,以便于安装。
蚀刻箔加热器 加热元件-PI加热片结构
蚀刻箔加热器 加热元件-PI加热片结构
  • 陶瓷加热器:这些加热器使用具有高熔点、高热稳定性、高温强度、高相对化学惰性和小热容量的陶瓷。请注意,这些与用作绝缘材料的陶瓷不同。由于其良好的导热性能,它用于传导和分配来自加热元件的热​​量。值得注意的陶瓷加热器是氮化硅和氮化铝。这些通常用于快速加热,如电热塞和点火器上所见。然而,当经受快速的高温加热和冷却循环时,材料容易因热应力引起的疲劳而开裂。一种特殊类型的陶瓷加热器是 PTC 陶瓷。这种类型可以自我调节其功耗,从而防止其变红。
PTC加热器-陶瓷加热器-加热元件
PTC加热器-陶瓷加热器-加热元件
  • 陶瓷纤维加热器:在这种类型的加热器中,陶瓷纤维用作绝缘体,将热量集中到要加热的表面,以防止系统损失。陶瓷纤维垫的一侧缠绕有电阻丝。该面粘合在可加热至 1,200°C 的表面上。

        

结论:

  • 加热元件是通过称为焦耳加热的原理将电能直接转换为热能或热能的材料或装置。
  • 最重要的加热元件特性是足够的电阻率、高抗氧化性、低电阻温度系数、高韧性和高熔点。
  • 广泛使用的加热元件有镍铬合金、铁铬铝合金、二硅化钼、碳化硅等。其次是石墨和其他通常具有较高氧化率的难熔金属。
  • 除了加热元件外,加热器还包括端子、引线、绝缘材料、填料、护套和密封件。这些加热器具有各种形式和配置以适应特定应用。
  • 典型的加热器订购规格包括功率或瓦数、最高工作温度、过程流体类型、护套材料和电源(电压和频率)等。