Наукові основи керамічних нагрівачів

Що таке керамічний обігрівач?
Науковий принцип керамічних нагрівачів полягає в тому, що керамічні нагрівачі є електричними нагрівачами, які використовують керамічні нагрівальні елементи з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) і генерують тепло за принципом нагріву опору. Керамічні матеріали мають достатній опір і теплопровідність, щоб генерувати і проводити тепло, коли через них протікає струм. Мають високу міцність і довговічність. Тому вони добре працюють при використанні в якості нагрівальних елементів. Нагрівальний елемент керамічних обігрівачів виготовляється з чистих керамічних матеріалів, але більшість з них є композитними матеріалами, закритими металевими та керамічними матеріалами. Керамічний матеріал в останньому діє як ізолятор, але водночас проводить тепло в навколишнє середовище, таким чином мінімізуючи втрати тепла та енергії, пов’язані з неізольованими проводами опору.

Керамічні нагрівачі широко використовуються в таких галузях, як сушіння, кип’ятіння, формування та плавлення продуктів. Керамічні обігрівачі широко використовуються для опалення приміщень, забезпечуючи швидке, безпечне та чисте джерело тепла.

Наукові основи керамічних нагрівачів
Зрозуміти важливі наукові принципи розробки та експлуатації керамічних нагрівачів. Нам спочатку потрібно вирішити питання опору нагріву. Як згадувалося раніше, керамічні обігрівачі працюють за принципом резистивного нагрівання, також відомого як джоулев або омічний нагрівання. Резистивний нагрів — це явище, при якому тепло виділяється через втрату опору під час проходження струму через матеріал. Це форма перетворення електричної енергії в теплову. Це перетворення є вигідним для електричних нагрівачів, оскільки втрата опору підвищує їх ефективність. Однак цей ефект небажаний у певних ситуаціях, наприклад при передачі та розподілі електроенергії, а також при роботі більшості типів електронних пристроїв і пристроїв.

Перший закон Джоуля або закон Джоуля Ленца математично ілюструє зв’язок між генерованою тепловою енергією та вхідними електричними параметрами. Цей закон стверджує, що теплота за одиницю часу, тобто потужність нагріву (P), прямо пропорційна добутку квадрата сили струму (I) і опору (R), вираженого математичним рівнянням: P{{0 }}I2R.

Опір нагріву на молекулярному рівні
Феномен резистивного нагрівання можна пояснити, спостерігаючи за тим, що відбувається всередині матеріалу під час протікання струму на молекулярному рівні.

Коли між двома точками провідника існує різниця потенціалів, утворюється електричне поле, яке прискорює рух крайніх вільних електронів між атомами, забезпечуючи тим самим кінетичну енергію для цих електронів. Електрони рухаються від точок з вищим потенціалом до точок з нижчим потенціалом. Швидкість потоку електронів називається струмом, основним електричним параметром. Сила струму прямо пропорційна напрузі (В) і різниці потенціалів між двома точками і обернено пропорційна опору; Це співвідношення представлено математичним рівнянням: I=V/R.

Коли ці електрони течуть до точок із нижчими потенціалами, вони стикаються з атомами, іншими електронами та домішками, що утворюють матеріал, викликаючи молекулярні коливання. Крім того, існують протилежні сили, які перешкоджають потоку електронів. Коли електрони течуть до нижчих потенціалів, ці зіткнення та протилежні сили породжують тертя. Щоб подолати тертя під час руху електронів, вони повинні виконувати роботу за рахунок тепла, що виділяється матеріалом. Тепло, що виділяється матеріалом (або нагрівальним елементом у цій статті), використовується для підвищення температури навколишніх предметів.

Зовнішні властивості опору
Опір - це зовнішня властивість матеріалу, яка відноситься до сили реакції на потік струму або електронів. Як зовнішня властивість, вона залежить від довжини (l) і площі поперечного перерізу (A) матеріалу, які можна розрахувати за R=ρ L/A. У цьому рівнянні rho — питомий електричний опір, який є властивістю, яка змінюється залежно від температури матеріалу.

За винятком надпровідників, усі матеріали мають певний ступінь опору. Для матеріалів, класифікованих як хороші нагрівальні елементи, вони повинні мати достатній внутрішній опір. Матеріали з вищим опором ефективніше блокують потік струму та виділяють більше тепла. Однак опір матеріалів, які використовуються як ізолятори, не повинен бути дуже високим.

Механізм теплопередачі
Керамічні обігрівачі передають тепло навколишньому середовищу шляхом провідності, конвекції або випромінювання. Проведення теплообміну передбачає передачу тепла між двома об’єктами, що контактують. Конвективний теплообмін передбачає теплообмін між двома рідинами (рідиною або газом). У конвективному обігрівачі повітря проходить через термічний керамічний нагрівальний елемент і підвищує температуру навколишнього середовища. Нарешті, при радіаційному теплообміні тепло, що утворюється електромагнітним випромінюванням, безпосередньо випромінюється на сусідні об’єкти або людей.

Позитивний температурний коефіцієнт
Питомий електричний опір і опір змінюються залежно від температури. Якщо опір матеріалу зростає з підвищенням температури, то матеріал має позитивний температурний коефіцієнт. Кераміка - напівпровідниковий матеріал з позитивним температурним коефіцієнтом.

Коли температура керамічного нагрівального елемента підвищується до встановленої температури внаслідок поглинання струму, опір зростатиме до нескінченності, тим самим припиняючи потік струму та виділення тепла. Задана температура залежить від складу кераміки. Таким чином, керамічні обігрівачі можуть адаптуватися до температури навколишнього середовища та виробляти менше тепла в гарячому середовищі. Вони лише забезпечують достатню кількість тепла без надмірного підвищення температури навколишнього середовища. Тому керамічні ТЕНи саморегулюються, чого немає у металевих ТЕНів. Саморегульована природа робить їх безпечнішими в експлуатації.