Tấm sưởi ấm được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị sưởi ấm, cốt lõi của nó dựa vào bộ phận làm nóng, vậy bộ phận làm nóng là gì? Các tính chất của các yếu tố làm nóng là gì? Bài viết này sẽ đưa bạn hiểu.
1. Bộ phận gia nhiệt là gì?
Bộ phận làm nóng là một vật liệu hoặc thiết bị chuyển đổi năng lượng điện trực tiếp thành nhiệt hoặc năng lượng nhiệt thông qua một nguyên tắc gọi là gia nhiệt joule. Gia nhiệt Joule là hiện tượng trong đó một dây dẫn tạo ra nhiệt do dòng điện chạy qua. Khi một dòng điện chạy qua vật liệu, các electron hoặc các hạt mang điện khác va chạm với các ion hoặc nguyên tử của dây dẫn, tạo ra ma sát ở quy mô nguyên tử. Ma sát này sau đó biểu hiện dưới dạng nhiệt. Định luật Joule đầu tiên (định luật Joule-Lenz) được sử dụng để mô tả nhiệt sinh ra bởi dòng điện trong vật dẫn. Điều này được thể hiện như,
P=IV hoặc P=I²R
Theo các phương trình này, nhiệt sinh ra phụ thuộc vào dòng điện, điện áp hoặc điện trở của vật liệu làm dây dẫn. Trong thiết kế của toàn bộ bộ phận làm nóng, điện trở là một yếu tố quan trọng.
Nguyên tắc làm nóng ban đầu
Sự nóng lên của joule thể hiện rõ trong tất cả các vật liệu dẫn điện có cường độ khác nhau, ngoại trừ một vật liệu đặc biệt gọi là chất siêu dẫn. Nói chung, đối với các vật liệu dẫn điện, nhiệt sinh ra ít hơn vì các hạt mang điện dễ dàng đi qua; Đối với những vật liệu có điện trở cao thì nhiệt lượng tỏa ra sẽ nhiều hơn. Mặt khác, chất siêu dẫn cho phép dòng điện chạy qua mà không sinh ra nhiệt. Nói chung, nhiệt từ một dây dẫn được phân loại là tổn thất năng lượng. Năng lượng điện được sử dụng để chạy thiết bị điện tạo ra nhiệt không cần thiết dưới dạng tổn thất truyền tải và cuối cùng không tạo ra bất kỳ công việc hữu ích nào.
Theo một nghĩa nào đó, hiệu suất của bộ phận làm nóng bằng điện gần như là 100 phần trăm , vì tất cả năng lượng cung cấp được chuyển đổi thành dạng dự kiến. Bộ phận làm nóng không chỉ dẫn nhiệt mà còn truyền năng lượng thông qua ánh sáng và bức xạ. Tuy nhiên, điều này chỉ áp dụng cho một số điện trở lý tưởng. Điện dung và độ tự cảm vốn có của vật liệu lần lượt chuyển đổi năng lượng điện thành điện trường và từ trường, dẫn đến tổn thất nhỏ. Xem xét toàn bộ hệ thống gia nhiệt, tổn thất đến từ nhiệt lượng tiêu tán từ chất lỏng của quá trình hoặc bản thân thiết bị gia nhiệt ra môi trường bên ngoài. Do đó, hệ thống phải được cách ly để tận dụng hết lượng nhiệt sinh ra.
Thứ hai, các đặc tính của bộ phận làm nóng
Khi dòng điện chạy qua, hầu như tất cả các dây dẫn đều có thể sinh nhiệt. Tuy nhiên, không phải tất cả các dây dẫn đều phù hợp với các bộ phận làm nóng. Sự kết hợp đúng đắn của các tính chất điện, cơ học và hóa học là bắt buộc. Sau đây là một số tính năng quan trọng đối với thiết kế phần tử gia nhiệt.
Điện trở suất: Để sinh nhiệt, bộ phận đốt nóng phải có đủ điện trở. Tuy nhiên, điện trở không thể đủ cao để trở thành chất cách điện. Điện trở bằng điện trở suất nhân với chiều dài dây dẫn chia cho tiết diện dây dẫn. Đối với một mặt cắt nhất định, để có được một dây dẫn ngắn hơn, vật liệu có điện trở suất cao được sử dụng.
Chống oxy hóa: Nhiệt thường đẩy nhanh quá trình oxy hóa kim loại và gốm sứ. Quá trình oxy hóa làm tiêu hao bộ phận sinh nhiệt, làm giảm công suất hoặc làm hỏng cấu trúc của nó. Điều này làm hạn chế tuổi thọ của bộ phận làm nóng. Đối với các bộ phận làm nóng kim loại, hợp kim được hình thành với các oxit, giúp chống lại quá trình oxy hóa bằng cách tạo thành một lớp thụ động. Đối với các bộ phận làm nóng bằng gốm, lớp bảo vệ chống oxy hóa của SiO2 hoặc Al2O3 là phổ biến nhất. Các loại bộ phận làm nóng không phù hợp để sử dụng trong môi trường oxy hóa, chẳng hạn như than chì, thường được sử dụng trong lò chân không hoặc lò chứa các khí không khí không oxy hóa như H2, N2, Ar hoặc He, nơi không có không khí trong buồng gia nhiệt.
Hệ số nhiệt độ của điện trở: Lưu ý rằng điện trở suất của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Trong hầu hết các dây dẫn, điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Hiện tượng này ảnh hưởng đến một số vật liệu rõ rệt hơn những vật liệu khác. Hệ số kháng nhiệt độ cao chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt. Đối với sốt, thông thường nên sử dụng giá trị thấp hơn. Mặc dù những thay đổi về điện trở có thể được dự đoán chính xác trong một số trường hợp, nhưng điện trở tăng mạnh là cần thiết để cung cấp nhiều năng lượng hơn. Để hệ thống thích ứng với việc thay đổi điện trở suất, các hệ thống điều khiển hoặc phản hồi được sử dụng.
Tính chất cơ học: Các bộ phận làm nóng cứng bị biến dạng khi sử dụng ở nhiệt độ cao. Khi vật liệu tiến gần đến giai đoạn nóng chảy hoặc kết tinh lại, vật liệu có nhiều khả năng bị suy yếu và biến dạng hơn so với trạng thái của nó ở nhiệt độ phòng. Một bộ phận làm nóng tốt vẫn giữ được hình dạng của nó ngay cả ở nhiệt độ cao. Mặt khác, độ dẻo cũng là một tính chất cơ học lý tưởng, đặc biệt là đối với các bộ phận làm nóng bằng kim loại. Tính dẻo cho phép vật liệu được kéo thành sợi và tạo hình mà không ảnh hưởng đến độ bền kéo của nó.
Điểm nóng chảy: Ngoài việc tăng đáng kể nhiệt độ oxy hóa, điểm nóng chảy của vật liệu cũng giới hạn nhiệt độ hoạt động của nó. Gốm sứ thường có điểm nóng chảy cao hơn lò sưởi kim loại.