소개
이 기사는 가열 요소에 대한 심층적 인 탐색을 제공합니다. 다음과 같은 측면을 자세히 살펴보면, 독자들은 철저한 이해를 얻을 것입니다:
목차
발열체
1: 가열 요소를 풀기
가열 요소는 Joule 가열로 알려진 공정을 통해 전기 에너지를 열로 변형시키는 놀라운 재료 또는 장치입니다.. 전류가 지휘자를 통해 코스하는 경우, 전자 또는 전하 캐리어는 도체의 원자 또는 이온과 충돌합니다.. 이러한 원자 수준 충돌은 마찰을 생성합니다, 열로 나타납니다. 이 열 생산은 Joule의 첫 번째 법에 의해 정량화됩니다 (또는 Joule-Lenz 법률), 중 하나 또는 ²로 표현됩니다. 여기, 열 발생량은 전류에 경첩이 있습니다, 전압, 그리고 지휘자의 저항. 저항은 난방 요소를 설계하는 데 중추적 인 역할을합니다.
Joule 난방은 모든 전도성 재료에서 다양한 범위로 발생합니다., 초전도기를 제외하고. 전기 저항이 낮은 재료는 충전 캐리어가 그들을 통해 더 자유롭게 흐르면서 열을 줄이는 경향이 있습니다.. 대조적으로, 저항이 높은 사람들은 더 많은 열을 발생시킵니다. 초전도체는 열 생산없이 전류가 통과 할 수 있도록합니다.. 일반적으로, 도체에 의해 생성 된 열은 에너지 손실로 간주됩니다., 구리 손실로 알려진 전기 장비의 원치 않는 가열처럼, 유용한 작업에 기여하지 않습니다.
전기 가열 요소는 전기 에너지를 열로 변환하는 데 매우 효율적입니다., 거의 100% 공급 된 에너지가 열 에너지로 변형되고 있습니다. 그들은 또한 빛과 방사선의 형태로 에너지를 방출 할 수 있습니다.. 하지만, 이 이상적인 효율성은 주로 저항기와 관련이 있습니다. 재료의 고유 커패시턴스 및 인덕턴스로 인해 경미한 손실이 발생할 수 있습니다., 전기 에너지를 각각 전기 및 자기장으로 변환합니다.. 게다가, 전체 시스템 효율은 공정 유체 또는 히터 자체에서 외부 환경으로의 열 소산에 의해 영향을받을 수 있습니다.. 따라서, 생성 된 열의 최적 활용을 위해, 잘 정화 된 난방 시스템이 필수적입니다.
2: 가열 요소를 정의하는 특성
거의 모든 도체는 전류가 통과 할 때 열을 생성합니다., 그러나 모두 가열 요소로 사용하기에 적합한 것은 아닙니다.. 이상적인 가열 요소 재료는 전기의 특정 조화를 가져야합니다., 기계적, 및 화학적 특성.
저항: 열을 생성합니다, 가열 요소는 적절한 전기 저항이 필요합니다. 하지만, 너무 높아서 절연체가되지 않아야합니다.. 전기 저항은 도체의 길이를 도체 단면으로 나눈 값을 곱하면서 저항성을 계산합니다.. 주어진 단면에 대해, 더 짧은 도체가 필요한 경우 저항력이 높은 재료가 사용됩니다..
산화 저항: 열은 일반적으로 금속과 세라믹의 산화를 가속화합니다. 산화는 가열 요소를 소비 할 수 있습니다, 용량을 줄이거 나 구조를 손상시킵니다, 따라서 수명을 제한합니다. 금속 가열 요소의 경우, 산화물과의 합금은 산화에 저항하기 위해 수동 층을 형성하는 데 도움이됩니다.. 세라믹 가열 요소는 일반적으로 sio₂ 또는 al₂o₃와 같은 보호 산화 내성 스케일이 있습니다.. 일부 가열 요소 유형, 흑연과 같은, 산화 환경에서 사용하기에 적합하지 않으며 일반적으로 진공 용광로 또는 HAL과 같은 산화되지 않은 대기 가스가있는 경우 일반적으로 사용됩니다., n ₂, AR, 또는 그는, 가열 챔버가 공기를 대피하는 곳.
온도 저항 계수: 재료의 저항은 온도에 따라 변합니다. 대부분의 도체에서, 온도가 상승함에 따라, 저항도 마찬가지입니다. 이 현상은 특정 재료에 더 현저한 영향을 미칩니다.. 더 높은 온도 저항 계수는 종종 열 감지 응용 분야에서 사용됩니다.. 열 생성을 위해, 낮은 값이 일반적으로 바람직합니다. 하지만, 저항의 변화를 정확하게 예측할 수있는 경우, 저항의 급격한 증가는 더 많은 전력을 제공하는 데 유리할 수 있습니다.. 변화하는 저항력을 설명합니다, 제어 또는 피드백 시스템이 사용됩니다.
기계적 특성: 고온에서 사용하면 단단한 가열 요소가 변형 될 수 있습니다.. 물질이 접근함에 따라 용융 또는 재결정 화 단계, 실온에서 상태에 비해 더 쉽게 약화되고 변형됩니다.. 좋은 가열 요소는 높은 온도에서도 모양을 유지할 수 있습니다.. 추가적으로, 연성은 바람직한 기계적 특성입니다, 특히 금속 가열 요소의 경우. 그것은 인장 강도를 희생하지 않고 재료를 와이어로 끌어와 모양으로 형성 될 수 있습니다..
녹는 점: 산화가 상당히 증가하는 온도 외에, 재료의 용융점은 또한 작동 온도를 제한합니다. 세라믹은 일반적으로 금속 히터보다 융점이 더 높습니다.
주요 난방 요소 제조업체 및 회사에는 Backer Hotwatt가 포함됩니다, 주법, ULANET ™, 하이열 산업, 주법, Tutco-Farnam, 그리고 국가 요소, Inc. (회사 이름을 통해 마우스를 통해 미리보기를 볼 수 있습니다.)
3: 가열 요소에 사용되는 재료
앞서 논의한 재료 특성은 선택을 여러 주요 자료로 좁 힙니다..
니켈-크로 미움 (NI-CR) 합금: 가열 요소에 가장 일반적으로 사용되는 재료 중, 니켈-크로 미움 합금은 연성으로 유명합니다, 높은 저항력, 그리고 높은 온도에서도 산화에 대한 저항성. 일반적으로 구성됩니다 80% 니켈과 20% 크롬 (다른 조성물은 다른 제조업체에서 구할 수 있지만), 이 합금은 종종 가열 요소로 사용하기 위해 와이어로 형성됩니다., 핫 와이어 폼 커터와 같은. 대략 최대 가열 온도에 도달 할 수 있습니다 1,100 1,200 ° C.
철 염소-알루미늄 (fe-cr-al) 합금: 상표 Kanthal에 의해 자주 알려져 있습니다, 페라이트 철 염소-알루미늄 합금은 일반적으로 구성됩니다 20 에게 24% 크롬, 4 에게 6% 알류미늄, 아이언 메이크업으로 나머지. 이 합금은 니켈-크로움 합금에 비해 유연성과 저밀도에 선호됩니다.. 그들은 더 높은 온도를 달성 할 수 있습니다, 주위에 도달합니다 1,300 1,400 ° C. 니켈에 비해 철의 가격 변동성이 낮아서 저렴한 경향이 있지만, 그들은 니켈-염소 합금에 비해 높은 온도에서 강도를 감소시켰다.. 분말 야금을 통해 향상 될 수 있습니다, 합금 잉곳이 분말로 분쇄되는 곳, 다이로 압축되었습니다, 통제 된 대기에서 소결 또는 고생. 기계적 특성을 향상시키기 위해 분산이 추가됩니다, 더 높은 온도에서 강도와 인성을 증가시킵니다.
몰리브덴 장애 살해 (모시): 내화성 소식 (세라믹 금속 복합재), 몰리브덴 장애는 주로 가열 요소 물질로 사용됩니다.. 높은 용융점과 우수한 부식 저항으로 인해 고온 용광로에 적합합니다.. MOSI are 가열 요소는 다양한 에너지 집약적 인 방법을 통해 제조됩니다, 기계적 합금을 포함하여, 연소 합성, 충격 합성, 그리고 뜨거운 등방성 프레스. 최대 1,900 ° C의 온도에 도달 할 수 있습니다. 하지만, 그들은 주변 온도에서의 낮은 인성과 고온 크리프에 대한 감수성과 같은 단점을 가지고 있습니다.. 실온에서, Mosi requires는 부서지기 쉬우 며 신중한 취급이 필요합니다. 약 1,000 ° C의 취성 전이 온도에서 인성이 크게 향상됩니다., 그러나 크리프 속도가 높을수록 고온에서 변형이 발생할 수 있습니다.. 가장 일반적인 MOSI₂ 요소 디자인은 2 초 랭킹 헤어핀 유형입니다., 용광로 지붕에서 종종 매달리고 용광로 벽 주위에 위치합니다.. 기타 구성을 사용할 수 있으며 단일 패키지의 기계적지지 및 열 단열재를 모두 제공하기 위해 세라믹 단열 층과 자주 결합됩니다..
실리콘 카바이드 (sic): 실리콘 탄화물 가열 요소는 2,100 ° C 이상의 온도에서 재결정 또는 반응 결합 SIC 입자에 의해 생성 된 세라믹으로 만들어집니다.. 이러한 요소는 일반적으로 다공성입니다 (8-25%) 용광로 분위기가 재료를 통해 상호 작용할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라, 가열 요소는 점진적인 산화를 겪을 수 있습니다, 다음과 같은 공정에서 전기 저항을 증가시킵니다. “노화.” 일관된 전력 출력을 유지합니다, 가변 전압 공급은 종종 요소가 연령에 따라 전압을 점진적으로 높이는 데 사용됩니다.. 이 노화 과정은 결국 가열 요소의 수명 및 성능을 제한합니다.. 실리콘 카바이드는 몇 가지 주요 특성으로 인해 고온 응용에 이상적입니다.. 액체 단계가 부족합니다, 고온에서 크리프로 인해 처지거나 변형되지 않음을 의미합니다., 그리고 용광로 내에서 내부지지는 필요하지 않습니다. SIC는 약 2,700 ° C에서 직접 승화합니다, 극한 조건에 적합하게 만듭니다. 추가적으로, 대부분의 공정 유체에 화학적으로 불활성입니다, 강성이 높습니다, 및 낮은 열 팽창 계수. 실리콘 카바이드 히터는 대략 온도를 달성 할 수 있습니다 1,600 1,700 ° C.
석묵: 석묵, 탄소로 구성된 육각형 원자 구조가있는 미네랄, 열과 전기의 우수한 도체입니다. 2,000 ° C를 초과하는 온도에서 열을 생성 할 수 있습니다. 고온에서, 전기 저항이 크게 증가합니다. 또한 열 충격을 잘 견디며 빠른 가열 및 냉각주기 동안 취성이 없어도 탄력성을 유지합니다.. 하지만, 흑연에는 주목할만한 단점이 있습니다: 약 500 ° C에서 산화되는 경향이 있습니다, 장기간 노출로 물질 분해로 이어집니다. 따라서, 흑연 가열 요소는 주로 진공 용광로에서 사용됩니다, 녹은 금속과 가열 요소 자체의 산화를 방지하기 위해 산소 및 기타 가스가 가열 챔버에서 제거되는 경우.
몰리브덴, 텅스텐, 그리고 탄탈 룸: 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내화 금속은 가열 요소로 사용될 때 흑연과 유사한 특성을 나타냅니다.. 이 금속 중, 텅스텐은 최고 온도에서 작동 할 수 있지만 가장 비싸다. 몰리브덴, 비용이 적고 일반적으로 사용되는 동안, 그래 파이트보다 여전히 비싸다. 흑연처럼, 이 금속은 산소에 대한 강한 친화력이 있기 때문에 진공 상태에서 사용해야합니다., 수소, 그리고 질소. 그들은 사이의 온도에서 산화되기 시작합니다 300 500 ° C까지.
양의 열 계수 (PTC) 재료: 일반적인 PTC 재료에는 고무 및 도자기가 포함됩니다. PTC 고무는 일반적으로 폴리 디메틸 실록산으로 만들어집니다 (PDMS) 탄소 나노 입자가 주입된다. PTC 히터는 온도가 상승함에 따라 전기 저항의 증가를 통해 전류 흐름을 조절하는 능력에 의해 구별됩니다.. 이 특성은 의류와 같은 응용 프로그램에 안전하고 적합합니다.. 처음에, 히터는 완전한 전력을 끌어 내고 저항력으로 인해 가열됩니다.. 온도가 증가함에 따라, 재료의 저항이 커집니다, 결국 절연체 역할을합니다. 이 자체 규제는 외부 피드백 루프없이 발생합니다..
4: 가열 요소의 유형
가열 시스템은 가열 요소 이상을 포함합니다.. 또한 종료도 포함됩니다, 리드, 격리, 포장, 칼집, 그리고 물개. 히터는 특정 응용 프로그램 요구를 충족시키기 위해 다양한 형태와 구성으로 제공됩니다..
공기 공정 히터: 이름에서 알 수 있듯이, 이 히터는 흐르는 공기를 가열하는 데 사용됩니다. 그들은 가열 된 튜브 또는 파이프로 구성됩니다, 차가운 공기를 소개하기위한 한쪽 끝, 다른 쪽 끝은 열기 출구로. 가열 요소의 코일, 세라믹 및 비전도 개스킷으로 절연, 파이프 벽을 따라 배치됩니다. 그들은 일반적으로 고 흐름에 사용됩니다, 열 수축과 같은 저압 응용, 라미네이팅, 접착제 활성화 또는 경화, 건조, 빵 굽기, 등.
카트리지 히터: 이 유형에서, 저항 와이어는 세라믹 코어 주위에 코일이 커집니다, 일반적으로 압축 된 산화 마그네슘으로 만들어졌습니다. 저항 와이어 코일이 카트리지 길이를 따라 3 ~ 5 번 통과하는 경우 직사각형 구성도 사용할 수 있습니다.. 저항 와이어 또는 가열 요소는 최대 열 전달을 위해 피복 재료 벽 근처에 위치합니다.. 외피는 일반적으로 내부를 보호하기 위해 스테인레스 스틸과 같은 부식 방지 재료로 만들어집니다.. 리드는 일반적으로 유연합니다, 카트리지의 한쪽 끝에 두 종단이 있습니다.. 카트리지 히터는 다이 또는 곰팡이 가열에 사용됩니다, 유체 가열 (침지 히터), 표면 가열.
관형 히터: 관형 히터의 내부는 카트리지 히터와 유사합니다.. 주요 차이점은 리드 터미널이 튜브의 반대쪽 끝에 있다는 것입니다.. 전체 관형 구조는 가열되는 공간이나 표면에 필요한 열 분포에 맞게 다른 형태로 구부릴 수 있습니다.. 또한 효과적인 열 전달을 돕기 위해 칼집 표면에 기계적으로 결합 된 지느러미를 특징으로 할 수 있습니다.. 관형 히터는 카트리지 히터만큼 다재다능하며 유사한 응용 분야에서 사용됩니다..
밴드 히터: 원통형 금속 표면이나 파이프와 같은 용기를 감싸도록 설계되었습니다., 배럴, 드럼, 압출기, 등., 밴드 히터는 컨테이너 표면에 단단히 고정하기 위해 볼트로 고정 된 잠금 탭을 특징으로합니다.. 밴드 내부, 히터는 얇은 저항 와이어 또는 리본입니다.. 외피는 스테인레스 스틸 또는 황동으로 만들어집니다. 밴드 히터의 장점은 용기 내부의 유체를 간접적으로 가열한다는 것입니다., 히터가 공정 유체에서 화학 공격을받지 않도록하고 오일 및 윤활유 서비스에 사용될 때 가능한 점화를 방지합니다..
스트립 히터: 이 히터는 평평하고 직사각형 형태이며 표면에 볼트로 고정되어 가열됩니다.. 그들의 내부는 밴드 히터와 유사합니다, 그러나 단열재, 운모를 제외하고, 산화 마그네슘 및 유리 섬유와 같은 세라믹 일 수 있습니다. 그들은 일반적으로 다이의 표면 가열에 사용됩니다, 곰팡이, 남편, 탱크, 덕트, 등. 또한 핀이 핀으로하여 공기 또는 유체 가열에도 사용할 수 있습니다.. 지느러미 스트립 히터는 오븐과 우주 히터에서 볼 수 있습니다..
에칭 된 포일 히터: 박막 히터라고도합니다, 에칭 된 포일 히터에는 저항성 가열 재질이 에칭되고 포일에 결합됩니다., 일반적으로 알루미늄으로 만들어졌습니다. 더 많은 유연성과 눈물 저항이 필요한 경우, 기판은 또한 내열 합성 고무 또는 열가소성 폴리 우레탄으로 만들어 질 수 있습니다. (TPU). 가열 요소의 단단한 간격, 광 화학 에칭의 장점, 작은 형태로 더 큰 열 밀도로 열 분포를 가능하게합니다.. 그들의 응용 프로그램은 기존 와이어 히터에 비해보다 전문화되며 일반적으로 의료 기기에서 볼 수 있습니다., 전자 및 계측, 항공 우주, 그리고 옷. 한쪽은 쉽게 장착 할 수 있도록 접착제 층으로 늘어서 있습니다..
세라믹 히터: 이 히터는 융점이 높은 세라믹을 사용합니다, 높은 열 안정성, 고온 강도, 높은 상대 화학적 불활성, 그리고 작은 열 용량. 이것들은 단열재로 사용되는 도자기와 다릅니다.. 그들의 열 전도성 특성으로 인해, 그들은 가열 요소에서 열을 전도하고 분배하는 데 사용됩니다.. 주목할만한 세라믹 히터는 실리콘 질화물과 질화 알루미늄입니다. 글로우 플러그 및 화환기에서 볼 수 있듯이 빠른 가열에 일반적으로 사용됩니다.. 하지만, 빠른 고온 가열 및 냉각주기에 적용 할 때, 재료는 열 응력으로 인한 피로로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다.. 특별한 유형의 세라믹 히터는 PTC 세라믹입니다., 전력 소비를 자체 조절하여 붉게 뜨거워지는 것을 방지 할 수 있습니다..
세라믹 섬유 히터: 이 유형의 히터에서, 세라믹 섬유는 절연체로 사용되어 시스템 손실을 방지하기 위해 가열 할 표면에 열을 집중시킵니다.. 세라믹 섬유 패드의 한쪽에 저항선이 감겨 있습니다., 그리고이 쪽은 가열하기 위해 표면에 결합됩니다., 최대 1,200 ° C에 도달 할 수 있습니다.
5: 히터를 선택할 때 고려해야 할 요소
가열 요소는 일반적으로 동일한 원리에서 작동하지만, 그들의 성과와 서비스 수명은 몇 가지 요인에 의해 영향을받습니다.. 히터의 주요 사양에는 전력 또는 와트가 포함됩니다, 최대 작동 온도, 공정 유체의 유형, 외피 재료, 및 전원 공급 장치 (전압 및 주파수). 추가적으로, 유체 흐름 및 온도 제어와 같은 요소도 성능을 최적화하기 위해 고려해야합니다..
와트 밀도: 와트 밀도는 단위 면적당 가열 요소에 의해 전달되는 열입니다.. 히터의 서비스 수명을 완전히 활용하려면 특정 응용 프로그램을 위해서는 적절한 와트 밀도를 선택해야합니다.. 주어진 와트, 고밀도 히터와 저밀도 히터는 모두 같은 양의 열을 전달하지만 온도가 다릅니다.. 고밀도 요소는 훨씬 더 높은 온도에 도달 할 수 있습니다, 조기 연소 또는 요소의 실패로 이어질 수 있습니다.. 가열 요소를 선택할 때, 특정 애플리케이션에 대한 제조업체의 권장 와트 밀도를 확인하는 것이 필수적입니다..
온도: 대상 작동 온도는 와트 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 두 가지 요소 사이에는 균형이 있어야합니다. 프로세스 히터를 설계 할 때, 온도는 일반적으로 시스템이 요구하는 프로세스 매개 변수이므로 먼저 결정됩니다..
전원 공급 장치: 가열 요소는 사용 가능한 전원 공급 장치와 함께 작동 할 수 있어야합니다.. 전압 등급을 확인하십시오, 일반적으로 120V 또는 240V입니다. 대상 와트를 선택할 때, 생산 된 암페어를 확인하십시오. 전원 공급 장치 회로 차단기 트리핑 포인트 또는 전원 케이블의 등급을 초과하지 않도록주의하십시오..
유체 흐름: 직관적으로, 정체 된 유체는 흐르는 유체보다 제어 온도로 가열하기가 더 쉽습니다.. 공기 또는 기타 가스는 일반적으로 밀도가 낮기 때문에 열을 빠르게 흡수하지 않습니다.. 이것을 해결하기 위해, 표면적이 큰 히터가 필요합니다. 지느러미 표면과 긴 와이어 코일 (저밀도 가열 요소) 공기 히터의 일반적인 특징입니다.
온도 센서 위치: 기존 히터에는 온도 센서와 컨트롤러가 제공됩니다.. 대부분의 응용 프로그램에서, 감지 장치는 공정 유체의 온도 만 측정합니다.. 하지만, 이것은 일반적으로 실제 가열 요소 온도를 나타내지 않습니다.. 히터와 온도 감지 장치를 설치하기 전에, 히터 장치에 위치가 적합한 지 확인하는 것이 중요합니다.. 센서가 너무 멀리있는 경우, 반사 된 온도는 열 소산과 열전달 속도가 낮아서 훨씬 낮을 수 있습니다.. 이것은 가열 요소를 태울 수있는 매우 높은 온도로 이어질 수 있습니다..
부식: 부식은 공정 유체 또는 외부 환경에서 비롯 될 수 있습니다.. 외피 재료는 가열 요소를 보호합니다, 리드, 및 화학 공격으로 인한 절연체. 따라서, 외피는 부식에 저항하면서 고온에서 강도를 유지할 수 있어야합니다.. 널리 사용되는 피복 재료는 스테인레스 스틸입니다, 놋쇠, 구리, 및 Monel 및 Incoloy와 같은 다른 특수 합금. 게다가, 외피 및 터미널 밀봉의 무결성은 응용 프로그램에 충분해야합니다.. 까다로운 응용 프로그램, 밀폐 밀봉은 공정 유체로부터 완벽한 보호를 제공하는 최선의 옵션입니다..
결론
가열 요소는 전기 에너지를 Joule 가열의 원리를 통해 열 또는 열 에너지로 변환하는 재료 또는 장치입니다.. 가열 요소의 중요한 특성에는 충분한 저항력이 포함됩니다., 높은 산화 저항, 저온 저항 계수, 높은 인성, 그리고 높은 융점. 널리 사용되는 가열 요소는 니켈-크로움 합금입니다, 철 염소-알루미늄 합금, 몰리브덴 장애 살해, 및 실리콘 카바이드, 이어서 일반적으로 더 높은 산화 속도를 가진 흑연 및 기타 내화 금속이. 가열 요소 외에, 히터는 종단으로 구성됩니다, 리드, 격리, 포장, 칼집, 그리고 물개. 이 히터는 특정 응용 분야에 맞게 다양한 형태와 구성으로 제공됩니다.. 일반적인 히터 순서 사양에는 전력 또는 와트가 포함됩니다, 최대 작동 온도, 공정 유체의 유형, 외피 재료, 및 전원 공급 장치 (전압 및 주파수).
