Нагревательные элементы — что такое и зачем нужны?!
Иногда требуется много времени, чтобы разжечь огонь: угольные локомотивы, например, нужно запускать за несколько часов до буксировки поездов. Иногда пожар возникает, когда вы меньше всего этого ожидаете, угрожая вашей жизни, имуществу и всему, что вам дорого. Разве не было бы здорово, если бы огонь можно было контролировать так же легко, как электричество, чтобы его можно было включать и выключать в любое время? Это основная идея нагревательных элементов. Они являются «огнем» в таких вещах, как электрические плиты, душевые кабины, тостеры, кухонные плиты, фены, сушилки, паяльники и любые другие устройства, которые только можно вообразить. Нагревательные элементы дают нам силу огня с удобством электричества. Давайте подробнее рассмотрим, что они из себя представляют и как они работают!
На фото: электрическая плита с открытым змеевиком. После нагрева спираль начинает светиться красным.
Производство тепла из электроэнергии
В школе мы узнаем, что одни материалы хороши для электричества, а другие плохи. Хорошие векторы тока называются проводниками, а плохие векторы тока называются изоляторами. Проводники и изоляторы часто лучше всего описываются тем, какое сопротивление они оказывают, когда через них протекает электрический ток. Таким образом, проводники имеют низкое сопротивление (ток легко проходит через них), в то время как изоляторы имеют гораздо более высокое сопротивление (пропустить ток сложно). В электрической или электронной цепи мы можем использовать устройства, называемые резисторами, для управления потоком тока; Используйте циферблат, чтобы увеличить сопротивление и уменьшить ток. Например, в схеме динамика это один из способов уменьшить громкость.
На фото: крупный план вольфрамовой нити, скрученной в лампу накаливания, которая излучает свет, выделяя много тепла. Количество света, излучаемого нитью, напрямую связано с ее длиной: чем длиннее нить, тем больше света она излучает. Вот почему он скрученный: катушка вмещает больше длины (и света) в то же пространство.
Резисторы преобразуют электрическую энергию в тепло; другими словами, они нагреваются, когда через них протекает ток. Но это делает не только сопротивление. Даже тонкий кусок провода нагреется, если через него пропустить достаточный ток. Это идея ламп накаливания (старомодные лампы в форме лампочек). Внутри стеклянной колбы находится очень тонкая катушка проволоки, называемая нитью. Когда через него протекает достаточный ток, он становится очень ярким, так что он действительно излучает свет и излучает тепло. Около 95 процентов энергии, поглощаемой такой лампой, преобразуется в тепло и расходуется целиком (гораздо эффективнее при использовании энергосберегающей люминесцентной лампы, так как большая часть потребляемой лампой электроэнергии преобразуется в свет без потерь тепла) .
Забудьте сейчас о свете — что, если мы действительно заботимся о тепле? Внезапно мы обнаруживаем, что наша расточительная лампочка на самом деле очень эффективна, потому что она преобразует 95 процентов энергии, которую мы в нее вкладываем, в тепло. вымысел! Только вот проблема. Если вы когда-либо приближались к лампочке, вы знаете, что если вы дотронетесь до нее, она станет достаточно горячей, чтобы обжечь вас (не пытайтесь). Но если вы подниметесь хотя бы на метр или около того, тепло от 100-ваттной лампочки будет слишком слабым, чтобы до вас добраться. Что, если бы мы захотели сделать электрическую плиту так же, как электрическую лампу? Нам нужно что-то вроде увеличенной нити накала лампы, возможно, в 20-30 раз сильнее, чтобы мы действительно могли чувствовать тепло. Нам нужен довольно прочный материал (тот, который не расплавится и долго не прослужит при многократном нагревании и охлаждении), и нам нужно, чтобы он выделял много тепла при разумной температуре. Здесь речь идет о сущности нагревательного элемента: прочного электрического компонента, предназначенного для рассеивания тепла при прохождении через него большого электрического тока.
Что такое нагревательный элемент?
На фото: нагревательный элемент, спрятанный в стеклокерамической варочной панели. Это непрерывный элемент, который начинается в синей точке и изгибается в лабиринте, пока не достигнет красной точки. Не имеет смысла, что этот элемент имеет другую форму или размер: он должен концентрировать тепло прямо под кастрюлей — и это самый эффективный способ его получить.
Нагревательный элемент к которому мы привыкли, обычно представляет собой катушку, ленту (прямую или волнистую) или полоску проволоки, которая излучает тепло подобно нити накала лампы. Когда через него проходит электрический ток, он раскаляется докрасна и преобразует электрическую энергию, проходящую через него, в тепло, которое излучается во всех направлениях.
Нагревательные элементы обычно изготавливаются на основе никеля или железа. Сплавы на основе никеля обычно представляют собой нихром, сплав, состоящий примерно из 80 процентов никеля и 20 процентов хрома (доступны другие составы нихрома, но предпочтительнее смесь 80-20). Нихром является наиболее популярным материалом для нагревательных элементов по нескольким причинам:
- имеет высокую температуру плавления (около 1400 °С),
- не окисляется (даже при высоких температурах),
- не слишком расширяется при нагревании,
- имеет удовлетворительную (не слишком низкую, не слишком высокую и достаточно постоянную) стойкость (увеличивается только примерно на 10 процентов между температурой окружающей среды и максимальной рабочей температурой).
Сплав на основе железа называется фехраль. Это железо-хром-алюминиевый сплав с небольшим содержанием никеля (около 0,6%). Он также часто используется в нагревательных элементах, поскольку имеет ряд преимуществ перед нихромом:
- Низкая стоимость (во много раз ниже, чем у нихрома)
- Высокая температура плавления (около 1500°С)
- Высокая термостойкость
Однако есть у фехраля и недостатки:
- Низкая прочность, повышенная хрупкость
- Подверженность окислению
- Сокращенный срок службы ТЭНов из этого материала
Типы ТЭНов
Существует несколько типов нагревательных элементов. Иногда в качестве таковых применяют нихромовые или фехралевые катушки; В других случаях змеевики утоплены в керамический материал, чтобы сделать его более стойким и долговечным (керамика отлично выдерживает высокие температуры и не боится сильного нагрева и охлаждения), или изолированы миканитом и заключены в металлический корпус (кольцевые и плоские нагреватели для экструдера).
Размер и форма нагревательного элемента во многом определяются размером прибора, в котором он должен быть размещен, и площадью, над которой он должен генерировать тепло. У бигуди короткие спирали, потому что они должны генерировать тепло через тонкую трубку, вокруг которой можно обернуть волосы. Электрические радиаторы имеют длинные стержни, потому что им приходится рассеивать тепло по большой площади помещения. Электрические плиты имеют спиральные нагревательные элементы, достаточно большие для нагрева кастрюль и сковородок (часто элементы плиты покрывают металлическими, стеклянными или керамическими пластинами для облегчения очистки). Масляные нагреватели для больших емкостей или резервуаров представляют собой огромные металлические трубы с керамическими нагревательными элементами, поскольку они должны генерировать мягкий нагрев на большой площади контакта с горючими жидкостями.
На фото: два типа нагревательных элементов. 1) Световые полоски из нихрома в инфракрасном кварцевом обогревателе для сушки. 2) Хорошо видна спираль электрический ТЭН на дне чайника. Он никогда не становится таким горячим, как нагревательные кабели, потому что обычно он не нагревается достаточно. Однако, если вы достаточно глупы, чтобы включить чайник без воды (как я однажды случайно сделал), вы обнаружите, что элемент чайника вполне может стать красным. Этот опасный и катастрофический эпизод навсегда повредил мой чайник и мог поджечь мою кухню.
На некоторых приборах хорошо видны нагревательные элементы: на электрическом тостере легко заметить нихромовые полосы, встроенные в стенки тостера, потому что они горячие. Электрические радиаторы производят тепло с помощью ярко-красных лент (по сути, это спиральные проволочные нагревательные элементы, которые выделяют тепло за счет излучения), в то время как электрические конвекторы обычно имеют концентрические круглые нагревательные элементы, расположенные перед электрическими вентиляторами (поэтому они быстрее). конвекцией).
Некоторые устройства имеют видимые элементы, которые работают при более низких температурах и не светятся; Хорошим примером являются электрические чайники, которые нельзя использовать при температуре выше кипения воды (100°C). В других устройствах нагревательные элементы обычно полностью закрыты из соображений безопасности. Электрический душ и щипцы для завивки имеют скрытые части, поэтому (надеюсь) нет риска поражения электрическим током.
Конструкция нагревательных элементов
Все это делает нагревательные элементы очень простыми и понятными, но на самом деле есть много разных факторов, которые инженеры-электрики должны учитывать при проектировании. В своей превосходной книге на эту тему Тор Хегбом перечисляет от 20 до 30 различных факторов, влияющих на работу типичного нагревательного элемента, включая очевидные элементы, такие как напряжение и сила тока, длина и диаметр элемента, тип материала и рабочая температура. Есть также некоторые факторы, которые следует учитывать для каждого типа статьи. Например, в намотанном круглом проволочном элементе диаметр проволоки и форма витков (диаметр, длина, шаг, удлинение и т. д.) входят в число факторов, существенно влияющих на рабочие характеристики. С толщиной элемента ленты и шириной ленты. И это только часть истории, почему нагревательный элемент не работает изолированно: вы должны учитывать, как он вписывается в более крупное устройство и как он ведет себя во время использования (используется ли он по-разному или злоупотребляет). Например, как ваш элемент поддерживается изоляторами внутри устройства? Насколько большими и толстыми они должны быть, и влияет ли это на размер приспособления, которое вы делаете? Например, подумайте о различных типах нагревательных элементов, которые вам нужны в паяльнике, в форме ручки и в большом конвекторе. Если между опорными изоляторами есть «задрапированный» элемент, что произойдет с нагревательным элементом, если он перегреется? Не будет ли он провисать слишком низко и вызывать проблемы? Вам нужно больше изоляторов, чтобы избежать этого, или вам нужно изменить материал или элемент? Размер?
Что происходит при проектировании чего-то вроде электрического камина с несколькими близко расположенными нагревательными элементами, когда они используются по отдельности или в комбинации? Если вы проектируете нагревательный элемент, через который проходит воздух (например, конвектор или фен), то можно ли создать достаточный поток воздуха, чтобы предотвратить перегрев и значительно увеличить срок его службы? Все эти факторы должны быть сбалансированы, чтобы продукт был эффективным, экономичным, долговечным и безопасным.
Требует ли нагревательный элемент высокого или низкого сопротивления?
Можно подумать, что нагревательный элемент должен иметь действительно высокое сопротивление — ведь именно сопротивление позволяет материалу выделять тепло. Но на самом деле это не так. Тепло создает ток, протекающий через элемент, а не сопротивление, которому он подвергается. Гораздо важнее получить максимальный ток через нагревательный элемент, чем пропускать этот ток через большой резистор. Это может показаться запутанным и нелогичным, но достаточно легко понять, почему это верно (и должно быть) как интуитивно, так и математически.
Интуитивно …
Допустим, вы сделали сопротивление вашего нагревательного элемента как можно более высоким, причем бесконечно большим. Итак, закон Ома (напряжение = ток ∙ сопротивление или V = I ∙ R) говорит нам, что ток, протекающий через ваш элемент, должен быть бесконечно малым (когда I = V / R, I стремится к нулю, когда R v становится «бесконечным»). У них огромное сопротивление, нет тока и, следовательно, нет тепла. Что, если мы впадем в другую крайность и сделаем сопротивление бесконечно малым? Тогда у нас будет другая проблема. Хотя ток I может быть огромным, R практически равен нулю, поэтому ток протекает через элемент как скоростной поезд, даже не останавливаясь, и вообще не выделяет тепла.
Таким образом, в нагревательном элементе нам нужен баланс между двумя крайностями: достаточное сопротивление для выделения тепла, но не настолько сильное, чтобы это слишком сильно уменьшало ток. Нихром и фехраль — отличный выбор. Сопротивление нихромовой проволоки (примерно) в 100 раз больше, чем у медной проволоки того же диаметра (очень хороший проводник), но только на четверть меньше, чем у графитового стержня того же размера (достаточно хороший изолятор). и, возможно, лишь на миллионную часть триллиона меньше, чем у такого отличного изолятора, как стекло. Цифры говорят сами за себя: Нихром — средний проводник с умеренным сопротивлением и ни в коем случае не изолятор!
Математически…
Используя математику, мы можем прийти к точно такому же заключению. Мощность, генерируемая или рассеиваемая током, равна напряжению, умноженному на силу тока (ватты = вольты ∙ ампер или P = V ∙ I). Из закона Ома мы также знаем, что V = IR. Исключите V из этих уравнений, и мы обнаружим, что мощность, рассеиваемая в нашем элементе, равна I2R. Другими словами, теплота пропорциональна сопротивлению, но также пропорциональна квадрату силы тока. Следовательно, ток оказывает гораздо большее влияние на выделяемое тепло, чем сопротивление. Удвойте сопротивление и удвойте мощность (отлично!), но удвойте ток и увеличьте мощность в четыре раза (отлично!). Так что это зависит от текущих событий.
Несложно подсчитать, что сопротивление нити накала типичной лампы накаливания составляет несколько сотен Ом.
Нагреватели сопротивления?
Мы часто называем электрический нагрев — который делают нагревательные элементы — «джоулевым нагревом» или «резистивным нагревом», как будто сопротивление было единственным важным фактором. Но на самом деле, как я объяснял выше, существует множество взаимосвязанных факторов, которые необходимо учитывать при разработке нагревательного элемента, который эффективно работает в данном приборе. Сопротивление — это не всегда то, что вы контролируете и определяете — оно часто определяется для вас выбором материалов, размером нагревательного элемента и т. д.
