Keramiska värmare keramiska värmare vetenskapliga principer

Vad är keramiska värmare?

Vetenskapen om keramiska värmare: Keramiska värmare är elektriska värmare som använder en positiv temperaturkoefficient (PTC) keramisk uppvärmningselement för att generera värme genom principen om resistiv uppvärmning. Keramiska material har tillräcklig elektrisk motstånd och värmeledningsförmåga för att generera och genomföra värme när en elektrisk ström rinner genom dem. De är också starka och hållbara, vilket gör dem idealiska för användning som värmeelement. Medan värmeelementet i en keramisk värmare är tillverkad av rent keramiskt material, är de flesta sammansatta material inkapslade med metall och keramik. Keramiken i dessa senare material fungerar som en isolator samtidigt som den genomför värme till den omgivande miljön, vilket minimerar värme- och energiförlusterna förknippade med oisolerad motståndstråd.

Keramiska värmare används i ett brett spektrum av industrier, såsom torkning, kokning, gjutning och smältprodukter. Keramiska värmare används ofta i rymdvärme, vilket ger en snabb, säker och ren värmekälla.

Vetenskapen om keramiska värmare
För att förstå de viktiga vetenskapliga principerna som är involverade i utformningen och driften av keramiska värmare måste vi först ta upp frågan om resistiv uppvärmning. Som tidigare nämnts fungerar keramiska värmare genom principen om resistiv uppvärmning, även känd som Joule eller Ohm -uppvärmning. Resistiv uppvärmning är fenomenet där värme genereras på grund av resistiva förluster när en elektrisk ström passerar genom ett material. Den omvandlar elektrisk energi till värme. Denna omvandling är fördelaktig för elektriska värmare eftersom resistiva förluster ökar deras effektivitet. Emellertid är denna effekt oönskad i vissa situationer, till exempel i kraftöverföring och distribution och vid drift av de flesta typer av elektroniska enheter och utrustning.

Joules första lag, eller Joule - Lenz Law, visar matematiskt förhållandet mellan den genererade värmeenergin och ingångselektriska parametrarna. Denna lag säger att mängden värme per enhetstid, eller värmekraft (P), är proportionell mot produkten från strömmen (i) och kvadratet för motståndet (R), uttryckt som den matematiska ekvationen: p=i²r.

Resistiv uppvärmning på molekylnivå
Resistiv uppvärmning kan förklaras genom att observera vad som händer inom ett material under strömflödet på molekylnivå.

När en potentiell skillnad finns mellan två punkter i en ledare genereras ett elektriskt fält, vilket påskyndar de fria elektronerna i dess yttersta skal när de rör sig mellan atomer och därmed ger dessa elektroner kinetisk energi. Elektroner rör sig från punkten med högre potential till lägre potential. Hastigheten för elektronflöde kallas ström, en grundläggande elektrisk parameter. Strömmen är direkt proportionell mot spänning (V), potentialskillnaden mellan två punkter och omvänt proportionell mot motstånd; Detta förhållande uttrycks av den matematiska ekvationen: i=v/r.

När dessa elektroner flyter mot en punkt med lägre potential, kolliderar de med atomerna, andra elektroner och föroreningar som utgör materialet, vilket får molekylerna att vibrera. Dessutom finns det motsatta krafter som motstår flödet av elektroner. Dessa kollisioner och motsatta krafter skapar friktion när elektroner flyter mot en lägre potential. För att övervinna denna friktion måste elektronerna utföra arbete baserat på värmen som genereras av materialet. Värmen som genereras av materialet (eller värmeelementet i detta sammanhang) används för att öka temperaturen på de omgivande föremålen.

Yttre egenskaper för motstånd
Resistens är en extrinsisk egenskap hos ett material; Den hänvisar till kraften som motsätter sig flödet av ström eller elektroner. Som en extrinsisk egenskap beror det på längden (L) och Cross - sektionsområde (a) i materialet och kan beräknas som r=ρl/a. I denna ekvation är ρ den resistivitet, en inre egenskap som varierar med materialets temperatur.

Med undantag av superledare har alla material en viss grad av elektrisk resistens. För att ett material ska klassificeras som ett bra värmeelement måste det ha tillräckligt inre motstånd. Material med högre resistens hindrar mer effektivt flödet av ström och genererar mer värme. Motståndet hos ett material som fungerar som en isolator bör emellertid inte vara särskilt hög.
Värmeöverföringsmekanismer
Keramiska värmare överför värme till den omgivande miljön genom ledning, konvektion eller strålning. Ledningsvärmeöverföring involverar värmeöverföring mellan två kontaktobjekt. Konvektionsvärmeöverföring involverar värmeöverföring mellan två vätskor (vätskor eller gaser). I en konvektionsutrymmesvärmare rinner luft över det heta keramiska värmeelementet och höjer omgivningstemperaturen. Slutligen, vid strålningsvärmeöverföring, släpps värmeenergi direkt till närliggande föremål eller människor via elektromagnetisk strålning.

Positiv temperaturkoefficient
Resistivitet och motstånd varierar med temperaturen. Om materialets motstånd ökar med ökande temperatur har det en positiv temperaturkoefficient. Keramik, som är halvledarmaterial, har en positiv temperaturkoefficient.

När temperaturen på ett keramiskt uppvärmningselement ökar till dess börvärtemperatur på grund av absorptionen av strömmen ökar motståndet till oändligheten, stoppar strömflödet och värmeproduktion. Inställningspunktstemperaturen beror på sammansättningen av keramiken. Därför kan keramiska värmare anpassa sig till omgivningstemperaturen och generera mindre värme i varmare miljöer. De ger tillräckligt med värme utan att alltför höjer den omgivande temperaturen. Därför är keramiska värmare själv - reglerande, en egenskap som inte finns i metallvärmeelement. Detta själv - reglerande natur gör dem säkrare att fungera.