Нагревательный элемент – это материал или устройство, которое напрямую преобразует электрическую энергию в тепло или тепловую энергию с помощью принципа, известного как джоулев нагрев. Джоулев нагрев – это явление, при котором проводник выделяет тепло из-за протекания электрического тока. Когда электрический ток протекает через материал, электроны или другие носители заряда сталкиваются с ионами или атомами проводника, создавая трение на атомном уровне. Затем это трение проявляется в виде тепла.
Нагревательные элементы
История человечества – это длинная череда удивительных открытий и изобретений, оказавших огромное влияние на жизнь людей. Первые изобретения появились около 2 миллионов лет назад. Тогда человек научился обрабатывать камень и приручил огонь. В наш прогрессивный век жидкостных реактивных двигателей, космических ракет, стеклянных – стальных небоскребов и синтетических пластмасс, дым и пламя могут показаться пережитком прошлого.
Все из вышеперечисленных изобретений – и множество других в той или иной мере полагаются на огонь. Временами на то, чтобы разжечь огонь, приходится потратить немало времени. На простом примере, паровозы, работающие на угле, приходилось разжигать намного раньше до того, как они потянут вагоны.
Бывает что пожар возгорается не по зависящим от нас причинам, забирая жизни, причиняя вред природе, имуществу и вообще всему что может гореть.
Было бы прекрасно, если бы огонь можно было проконтролировать так же ловко, как электричество, чтобы мы имели возможность выключать и вновь включать его в любой необходимой ситуации. Это жирный плюс всех нагревательных элементов омического сопротивления. Нагревательные элементы дают нам силу, если хотите, магию огня с комфортом электричества.
Предлагаем в статье досконально разобрать, что такое нагревательный элемент и как он работает.
Выработка тепла из электричества
Из школьной программы нам было известно, что одни материалы хорошо пропускают через себя электричество – это проводники, другие не проводят электрический ток – это изоляторы.
Проводник и изолятор сравнивают, по сопротивлению, когда через них проходит электрический ток. Вследствие этого, проводники имеют низкое сопротивление (Проводник – вещество, среда, материал, хорошо проводящие электрический ток).
В это же время изоляторы плохо проводят электрический ток и обычно имеют высокое удельное сопротивление в диапазоне от 109 до 1020 Ом•см.
В электрической схеме используют пассивный элемент электрической цепи резистор, обладающий определённым постоянным или переменным значением электрического сопротивления, для контроля протекания тока.
Нагревательные резисторы работают по закону Ома путем преобразования электрической энергии в тепловую; другими словами, они нагреваются, когда через них проходит электричество. Но это делают не только резисторы.
Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.
В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.
Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.
Почему же проводники нагреваются?
Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.
Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов. Провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно его температура. А это и значит что, проводник нагревается. В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.
Что такое нагревательный элемент?
Нагревательные элементы обычно изготавливаются из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивление на основе никеля, хрома, железа. Самый распространенный сплав применяемый в элементах нагрева это нихром. Сложно представить, что еще немногим больше 100 лет назад мировая промышленность не применяла и вообще не знала такой сплав как нихром. Обойтись без нихрома в наши дни не представляется реальным.
В виде двухкомпонентного сплава нихром вошел в нашу жизнь в 1905 году. И помог этому прогрессу американский инженер, металлург, ученый Альберт Лерой Марш. Патент был зарегистрирован в феврале 1906 года. Это был первый сплав, состоящий из 80% никеля и 20% хрома в качестве нагревательного элемента.
В наши дни насчитывается около десяти формул. И название нихром служит для целой категории сплавов.
В последующих формулах, составленных за последний век, (Ni) никеля может быть от 55-78%, а (Cr) хрома от 15-23%, 1,5% марганца. В качестве примесей добавляют (Fe) железо, (Zr) цирконий, (Si) кремний, (Mo) молибден, (Ti) титан, (Al) алюминий, а также микро присадки редкоземельных элементов. В главной формуле Марша вышеперечисленных лигатур не присутствовало.
Нихром с легкостью выдерживает температуру плавления, до 1400°С. Плотность составляет (8200-8500) кг/м3. Флагманом физических качеств нихромов считается высокое электрическое сопротивление порядка от 1,05 – 1,4 Ом•мм²/м и зависит от выбранной марки нихрома. А также высокое сопротивление коррозии в разных средах и высочайшая жаростойкость.
Нихром крипоустойчив, это значит способность сплава, при определенном нагреве, удлинятся за установленный промежуток времени. Кроме того, сплав пластичный при этом, совершенно держит заданную ему форму, может работать при рабочих температурах от 1100 до 1300 °С.
Еще существует сплав Фехраль.
Фехраль – это легированный особо твердый, прецизионный, но достаточно хрупкий сплав на основе железа, дополнительных элементов в виде хрома, алюминия и добавления присадок кремния или марганца.
По своему составу он идеален, применяется в работе при высоких температурах, достигающих порядка 1450 градусов, имеет высокое удельное сопротивление 1,3 Ом•мм²/м.
Фехраль производится в виде прутков, проволоки, пластин или лент. Современное промышленное производство очень нуждается в проволоки из фехраля. Она имеет низкую стоимость, за счет входящей составляющей в виде алюминия вместо дорогостоящего никеля.
При этом отличается высокими техническими показателями и потребительскими характеристиками, которые и позволяют вытеснять на производственном рынке более дорогостоящий сплав – нихром.
Основное назначение фехралевой проволоки – производство нагревательных элементов электропечей и приборов, используемых в быту, а также комплектующих для реостатов, резисторов, фенов.
Проволока производится с широким диапазоном диаметральных размеров, которые колеблются в пределах от 0,1 до 10 мм. Готовый продукт поставляется как в катушках, так и мотках.
Помимо высокой температуры плавления и удельного сопротивления, фехралевая проволока имеет ряд других преимуществ:
- Малый удельный вес
- Устойчивость к коррозии
- Высокая стойкость к механическим деформациям и нагрузкам
- Не большая стоимость
- Значительно высокий предел текучести
- Высокая жаропрочность (возможность сопротивления нагрузкам в условиях действия высоких температур.)
Наряду с многочисленными преимуществами проволока из фехраля имеет главный недостаток, связанный с хрупкостью сплава. Этот отрицательный момент достаточно усложняет процесс производства проволоки малых диаметров.
Чтобы компенсировать и устранить этот недостаток применяют никелевые или другие схожие присадки, но тем самым стоимость фехралевой проволоки значительно возрастает.
Классификация нагревательных элементов
Для приборов, агрегатов омического сопротивления, промышленного и бытового назначения разработано великое множество разнообразных видов нагревательных элементов. Спирали из сплава с высоким электрическим сопротивлением бывают нескольких типов.
Нагреватели с открытой спиралью
Открытые нагреватели представлены в виде спирального нагревательного элемента, который размещают в специальные изоляционные канавки или подвешивают с помощью кронштейнов.
Тепловая подача от таких нагревателей производится за счет излучения либо конвекции.
Данные нагреватели имеют простую схему, быстро вырабатывают необходимое тепло, недорогие и их просто ремонтировать. Главными недостатками есть их невысокая электробезопасность, незащищенность от механических повреждений и возможные замыкания.
Для примера, нагреватели с открытой спиралью – это:
- миканитовые нагреватели с открытой спиралью;
- сухие ТЭНы;
- ТЭНы для печей отжига;
- проволочные нагреватели и пр.
Негерметичные нагреватели
Негерметичные нагреватели относятся к одному из подвидов нагревательных устройств закрытого типа.
В конструкцию таких устройств входят нагревательные элементы в виде ленты либо спирали, которые защищены изоляционными материалами, предотвращающими непосредственный контакт элемента нагрева с нагреваемым объектом, но не предотвращающих контакт с воздухом.
Зачастую в качестве изоляторов применяют керамические бусы. Конструкция таких приборов считается несложной, но не отличается особой прочностью.
Негерметичные элементы нагрева, работающие за счет нихромовой или фехралевой проволоки в виде навитой из них спиралей, их размещают в специальные кожухи из металла.
Это уже совсем другой вид конструкции негерметичного нагревателя. Кожух наполняют изоляционным порошкообразным веществом. Такой вариант нагревателя является более надежным в эксплуатации, но дольше прогревается.
Негерметичными нагревателями также можно назвать:
- керамические хомутовые нагреватели;
- металлические хомутовые и плоские ТЭНы;
- сопловые нагреватели;
- керамические гибкие нагреватели.
Герметичные нагреватели
Герметичные нагреватели закрытого типа способны вырабатывать тепловую энергию разными способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью.
К данной категории устройств относятся ТЭНы. Конструкция ТЭНа состоит из тоненькой металлической оболочки трубчатого типа со спиралью из проволоки нихромовой, обладающей высоким Ом сопротивлением.
Во внутренней части оболочки находится изоляционный материал. В «хвосты» спирали обеспечивающие контакт вмонтированы клеммы.
Также к герметичным нагревателям относятся:
- патронные нагреватели;
- хомутовые латунные ТЭНы;
- литые алюминиевые хомутовые и плоские нагреватели;
- спиральные нагреватели.
Преимуществом данной категории устройств по нагреву есть их высокая электрическая безопасность, длительный период эксплуатации, возможность использования в различных средах (даже самых агрессивных).
Проектирование нагревательных элементов
Имеется масса различных факторов, которые инженеры – энергетики должны учитывать при расчете и разработке спиралей сопротивления.
В своей научной статье Тор Хегбом перечисляет около тридцати различных факторов, влияющих на характеристики типичного нагревательного элемента, включая напряжение и ток, длину и диаметр нагревательного элемента, тип материала и рабочую температуру.
Есть также определенные факторы, которые необходимо учитывать для каждого типа теплового элемента.
К примеру, для витого элемента из проволоки диаметр проволоки и форма витков (диаметр, длина, шаг, растяжение) являются одними из факторов, которые критически влияют на производительность. С элементом ленты толщина и ширина ленты.
Работа нагревательного элемента под высоким и низким сопротивлением
Вы вправе предполагать, что нагревательный элемент должен иметь исключительно высокое Ом сопротивление – Ведь именно сопротивление проводника позволяет материалу генерировать тепло.
Если разобраться детально, то это не верно. Тепло генерирует ток, протекающий через элемент, а не Ом сопротивление, которое он получает.
Подача максимального тока, протекающего через элемент нагрева, намного важнее, чем пропускание данного тока через большое сопротивление. Это может показаться непростым и непоследовательным, но довольно легко разобраться, где истина, как интуитивно, так и математически.
Разберем интуитивно
Допустим, вы сделали Ом сопротивление вашего нагревательного элемента настолько большим, насколько это возможно – практически бесконечно большим.
Тогда закон Ома (напряжение = ток ∙ сопротивление или V = I ∙ R) говорит нам, что ток, протекающий через ваш элемент, должен быть бесконечно малым (если I = V / R, I подходит к нулю, когда R приближается к бесконечности).
У вас будет огромное сопротивление, отсутствие тока и, следовательно, отсутствие тепла.
Итак, если мы предадимся в противоположную крайность и сделаем сопротивление бесконечно маленьким.
Тогда у нас была бы другая проблема. Хотя ток I может быть огромным, R будет практически равным нулю, поэтому ток будет проходить через элемент, как скоростной поезд, даже не останавливаясь, не производя тепла вообще.
Вот на основании этого в элементе нагрева нам необходим баланс между двумя крайностями:
Достаточное сопротивление для выработки тепла, но не такое, чтобы оно слишком интенсивно понижало ток.
Справ нихром – лучший выбор
Сопротивление нихромовой проволоки, ленты или нити, примерно в сто раз выше, чем у проволоки, ленты или нити того же диаметра размера произведенной из меди.
Медь хороший проводник, но только на четверть меньше, чем графитовый стержень аналогичного размера (не плохой изолятор) но в миллионную долю меньше действительно хорошего изолятора, такого как стекло.
Цифры говорят сами за себя: нихром – это средний проводник с умеренным сопротивлением, и никак не изолятор!
Разберем математически
Идем математическим путем. Мощность, производимая или потребляемая потоком электричества, равна напряжению, умноженному на ток (ватты = вольт∙ ампер или P = V ∙ I).
Мы также знаем из закона Ома, что V = IR. Исключите V из этих уравнений, и мы обнаружим, что мощность, проходящая в нашем элементе, равна I2*R.
Другими словами, тепло пропорционально сопротивлению, но также пропорционально квадрату тока.
Таким образом, ток оказывает гораздо большее влияние на выделяемое тепло, чем сопротивление.
Удвойте сопротивление, и вы удвоите мощность, Но удвоите ток, и вы увеличите мощность в четыре раза. Так что ток – вот что действительно значимо.
