Varmeark er mye brukt i en rekke varmeutstyr, hvis kjerne er avhengig av varmeelementet, så hva er varmeelementet? Hva er egenskapene til varmeelementer? Denne artikkelen tar deg til å forstå.
1. Hva er et varmeelement?
Et varmeelement er et materiale eller en enhet som konverterer elektrisk energi direkte til varme eller termisk energi gjennom et prinsipp som kalles joule-oppvarming. Joule-oppvarming er et fenomen der en leder genererer varme på grunn av strømmen av elektrisk strøm. Når en elektrisk strøm flyter gjennom materialet, kolliderer elektroner eller andre ladningsbærere med ionene eller atomene i lederen, og skaper friksjon på atomskala. Denne friksjonen viser seg da som varme. Joules første lov (Joule-Lenz lov) brukes til å beskrive varmen som genereres av en elektrisk strøm i en leder. Dette uttrykkes som,
P=IV eller P=I²R
I henhold til disse ligningene avhenger varmen som genereres av strømmen, spenningen eller motstanden til ledermaterialet. I utformingen av hele varmeelementet er motstand en viktig faktor.
Prinsippet om å varme opp originalen
Joule-oppvarming er tydelig i alle ledende materialer med varierende intensitet, bortsett fra et spesielt materiale som kalles en superleder. Generelt, for ledende materialer, genereres mindre varme fordi ladningsbærere strømmer lett gjennom; For materialer med høy motstand vil det genereres mer varme. Superledere på den annen side lar strøm flyte uten å generere varme. Generelt er varme fra en leder klassifisert som energitap. Den elektriske energien som brukes til å drive kraftutstyr genererer unødvendig varme i form av overføringstap og gir til slutt ikke noe nyttig arbeid.
På en måte er effektiviteten til det elektriske varmeelementet nesten 100 prosent, siden all tilført energi omdannes til sin tiltenkte form. Varmeelementet leder ikke bare varme, men overfører også energi gjennom lys og stråling. Dette gjelder imidlertid bare noen ideelle motstander. Materialets iboende kapasitans og induktans konverterer elektrisk energi til henholdsvis elektriske og magnetiske felt, noe som resulterer i små tap. Med tanke på hele varmesystemet, kommer tapet fra varmen som spres fra prosessvæsken eller selve varmeren til det ytre miljøet. Derfor må systemet isoleres for å utnytte all varmen som genereres.
For det andre varmeelementets egenskaper
Når strømmen går gjennom, kan nesten alle ledere generere varme. Imidlertid er ikke alle ledere egnet for varmeelementer. Det kreves riktig kombinasjon av elektriske, mekaniske og kjemiske egenskaper. Følgende er noen av funksjonene som er viktige for design av varmeelementer.
Resistivitet: For å generere varme må varmeelementet ha tilstrekkelig motstand. Motstanden kan imidlertid ikke være høy nok til å bli en isolator. Motstand er lik resistivitet multiplisert med lederlengde delt på ledertverrsnitt. For et gitt tverrsnitt, for å oppnå en kortere leder, brukes et materiale med høy resistivitet.
Oksidasjonsmotstand: Varme akselererer vanligvis oksidasjonen av metaller og keramikk. Oksidasjon forbruker varmeelementet, reduserer kapasiteten eller skader strukturen. Dette begrenser levetiden til varmeelementet. For metallvarmeelementer dannes legeringer med oksider, som hjelper til med å motstå oksidasjon ved å danne et passiveringslag. For keramiske varmeelementer er beskyttende antioksidasjonsskala av SiO2 eller Al2O3 den vanligste. Typer varmeelementer som ikke er egnet for bruk i oksiderende miljøer, for eksempel grafitt, er mest brukt i vakuumovner, eller ovner som inneholder ikke-oksiderende atmosfæregasser som H2, N2, Ar eller He, der det ikke er luft i varmekammeret.
Temperaturkoeffisient for motstand: Merk at resistiviteten til materialet endres med temperaturen. I de fleste ledere øker motstanden når temperaturen øker. Dette fenomenet påvirker noen materialer mer uttalt enn andre. Høytemperaturmotstandskoeffisienten brukes hovedsakelig i termiske applikasjoner. Ved feber er det vanligvis å foretrekke å bruke en lavere verdi. Selv om endringer i motstand kan forutsies nøyaktig i noen tilfeller, er det nødvendig med en kraftig økning i motstand for å gi mer kraft. For å tilpasse systemet til skiftende resistivitet, brukes kontroll- eller tilbakemeldingssystemer.
Mekaniske egenskaper: Stive varmeelementer deformeres ved bruk ved høye temperaturer. Når materialet nærmer seg smelte- eller rekrystalliseringsstadiet, er det mer sannsynlig at materialet svekkes og deformeres sammenlignet med tilstanden ved romtemperatur. Et godt varmeelement beholder formen selv ved høye temperaturer. På den annen side er duktilitet også en ideell mekanisk egenskap, spesielt for metallvarmeelementer. Duktilitet gjør at et materiale kan trekkes inn i en tråd og formes uten å påvirke strekkstyrken.
Smeltepunkt: I tillegg til den betydelig økte oksidasjonstemperaturen, begrenser smeltepunktet til et materiale også driftstemperaturen. Keramikk har generelt et høyere smeltepunkt enn metallvarmere.