Grelna plošča se pogosto uporablja v različni ogrevalni opremi, katere jedro se opira na grelni element, kaj je torej grelni element? Kakšne so lastnosti grelnih elementov? Ta članek vas bo popeljal do razumevanja.
1. Kaj je grelni element?
Grelni element je material ali naprava, ki pretvarja električno energijo neposredno v toploto ali toplotno energijo s pomočjo principa, imenovanega joulsko segrevanje. Joulovo segrevanje je pojav, pri katerem prevodnik zaradi pretoka električnega toka ustvarja toploto. Ko električni tok teče skozi material, elektroni ali drugi nosilci naboja trčijo ob ione ali atome prevodnika, kar povzroči trenje na atomski lestvici. To trenje se nato pokaže kot toplota. Prvi Joulov zakon (Joule-Lenzov zakon) se uporablja za opis toplote, ki jo ustvari električni tok v prevodniku. To je izraženo kot,
P=IV ali P=I²R
V skladu s temi enačbami je proizvedena toplota odvisna od toka, napetosti ali upora materiala prevodnika. Pri zasnovi celotnega grelnega elementa je upor pomemben dejavnik.
Načelo ogrevanja original
Joulovo segrevanje je očitno pri vseh prevodnih materialih z različno intenzivnostjo, razen pri posebnem materialu, imenovanem superprevodnik. Na splošno se pri prevodnih materialih proizvaja manj toplote, ker nosilci naboja zlahka tečejo skozi; Pri materialih z visoko odpornostjo bo proizvedeno več toplote. Po drugi strani pa superprevodniki omogočajo pretok toka brez ustvarjanja toplote. Na splošno je toplota iz prevodnika razvrščena kot izguba energije. Električna energija, ki se uporablja za pogon električne opreme, ustvarja nepotrebno toploto v obliki izgub pri prenosu in na koncu ne povzroči nobenega koristnega dela.
V nekem smislu je učinkovitost električnega grelnega elementa skoraj 100-odstotna, saj se vsa dovedena energija pretvori v predvideno obliko. Grelni element ne le prevaja toploto, ampak tudi prenaša energijo s svetlobo in sevanjem. Vendar to velja samo za nekatere idealne upore. Lastna kapacitivnost in induktivnost materiala pretvarjata električno energijo v električno oziroma magnetno polje, kar povzroči majhne izgube. Če upoštevamo celoten grelni sistem, izguba izvira iz toplote, odvedene iz procesne tekočine ali samega grelnika v zunanje okolje. Zato mora biti sistem izoliran, da izkoristi vso proizvedeno toploto.
Drugič, lastnosti grelnega elementa
Ko tok teče skozi, lahko skoraj vsi prevodniki proizvajajo toploto. Niso pa vsi vodniki primerni za grelne elemente. Potrebna je prava kombinacija električnih, mehanskih in kemičnih lastnosti. Sledi nekaj funkcij, ki so pomembne za načrtovanje grelnega elementa.
Upornost: Za ustvarjanje toplote mora imeti grelni element zadosten upor. Vendar upornost ne more biti dovolj visoka, da bi postala izolator. Upornost je enaka upornosti, pomnoženi z dolžino prevodnika, deljeno s presekom prevodnika. Za dani presek, da bi dobili krajši vodnik, se uporablja material z visoko upornostjo.
Odpornost proti oksidaciji: Toplota običajno pospeši oksidacijo kovin in keramike. Oksidacija porabi grelni element, zmanjša njegovo zmogljivost ali poškoduje njegovo strukturo. To omejuje življenjsko dobo grelnega elementa. Pri kovinskih grelnih elementih so zlitine oblikovane z oksidi, ki pomagajo upreti oksidaciji tako, da tvorijo pasivno plast. Za keramične grelne elemente je najpogostejša zaščitna antioksidacijska lestvica SiO2 ali Al2O3. Vrste grelnih elementov, ki niso primerni za uporabo v oksidativnih okoljih, kot je grafit, se najpogosteje uporabljajo v vakuumskih pečeh ali pečeh, ki vsebujejo neoksidirajoče atmosferske pline, kot so H2, N2, Ar ali He, kjer ni zraka v ogrevalni komori.
Temperaturni koeficient upora: Upoštevajte, da se upornost materiala spreminja s temperaturo. Pri večini prevodnikov se upor povečuje z naraščanjem temperature. Ta pojav prizadene nekatere materiale bolj izrazito kot druge. Visokotemperaturni koeficient odpornosti se uporablja predvsem pri toplotnih aplikacijah. Za vročino je običajno bolje uporabiti nižjo vrednost. Čeprav je v nekaterih primerih mogoče natančno predvideti spremembe upora, je za zagotovitev več moči potrebno močno povečanje upora. Za prilagajanje sistema spreminjajoči se upornosti se uporabljajo krmilni ali povratni sistemi.
Mehanske lastnosti: Togi grelni elementi se pri uporabi pri visokih temperaturah deformirajo. Ko se material približuje stopnji taljenja ali rekristalizacije, postane bolj verjetno, da bo material oslabel in se deformiral v primerjavi z njegovim stanjem pri sobni temperaturi. Dober grelni element ohrani svojo obliko tudi pri visokih temperaturah. Po drugi strani pa je duktilnost tudi idealna mehanska lastnost, zlasti za kovinske grelne elemente. Duktilnost omogoča vlečenje materiala v nit in oblikovanje brez vpliva na njegovo natezno trdnost.
Tališče: Poleg znatno povišane temperature oksidacije tališče materiala omejuje tudi njegovo delovno temperaturo. Keramika ima na splošno višje tališče kot kovinski grelci.