Keramische kachels keramische kachels wetenschappelijke principes

Wat zijn keramische kachels?

De wetenschap van keramische kachels: keramische kachels zijn elektrische kachels die gebruik maken van een keramisch verwarmingselement voor positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) om warmte te genereren door het principe van resistieve verwarming. Keramische materialen hebben voldoende elektrische weerstand en thermische geleidbaarheid om warmte te genereren en te leiden wanneer een elektrische stroom erdoorheen stroomt. Ze zijn ook sterk en duurzaam, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik als verwarmingselementen. Hoewel het verwarmingselement van een keramische kachel is gemaakt van puur keramisch materiaal, zijn de meeste composietmaterialen ingekapseld met metaal en keramiek. Het keramiek in deze laatste materialen werkt als een isolator en voert ook warmte uit naar de omringende omgeving, waardoor de warmte- en energieverliezen geassocieerd met niet -geïsoleerde weerstandsdraad worden geminimaliseerd.

Keramische kachels worden gebruikt in een breed scala van industrieën, zoals drogen, koken, vormen en smeltproducten. Keramische kachels worden veel gebruikt in ruimteverwarming en bieden een snelle, veilige en schone warmtebron.

De wetenschap van keramische kachels
Om de belangrijke wetenschappelijke principes te begrijpen die betrokken zijn bij het ontwerp en de werking van keramische kachels, moeten we eerst het probleem van resistieve verwarming aanpakken. Zoals eerder vermeld, werken keramische kachels door het principe van resistieve verwarming, ook bekend als Joule of OHM -verwarming. Resistieve verwarming is het fenomeen waarbij warmte wordt gegenereerd vanwege resistieve verliezen wanneer een elektrische stroom door een materiaal gaat. Het zet elektrische energie om in warmte. Deze conversie is gunstig voor elektrische kachels omdat resistieve verliezen hun efficiëntie verhogen. Dit effect is echter ongewenst in bepaalde situaties, zoals in stroomoverdracht en distributie en bij het bedienen van de meeste soorten elektronische apparaten en apparatuur.

Joule's eerste wet, of Joule - Lenz Law, toont wiskundig de relatie tussen de gegenereerde warmte -energie en de invoer elektrische parameters. Deze wet stelt dat de hoeveelheid warmte per eenheidstijd, of verwarmingsvermogen (P), evenredig is met het product van de huidige (I) en het kwadraat van de weerstand (R), uitgedrukt als de wiskundige vergelijking: P=I²r.

Resistieve verwarming op moleculair niveau
Resistieve verwarming kan worden verklaard door te observeren wat er binnen een materiaal gebeurt tijdens de stroomstroom op moleculair niveau.

Wanneer een potentieel verschil tussen twee punten in een geleider bestaat, wordt een elektrisch veld gegenereerd, waardoor de vrije elektronen in zijn buitenste schelpen worden versneld terwijl ze tussen atomen bewegen, waardoor deze elektronen kinetische energie worden gegeven. Elektronen gaan van het punt van een hoger potentiaal naar het punt van een lager potentieel. De snelheid van elektronenstroom staat bekend als stroom, een fundamentele elektrische parameter. Stroom is recht evenredig met spanning (V), het potentiaalverschil tussen twee punten en omgekeerd evenredig met weerstand; Deze relatie wordt uitgedrukt door de wiskundige vergelijking: i=v/r.

Wanneer deze elektronen naar een punt van lager potentiaal stromen, botsen ze met de atomen, andere elektronen en onzuiverheden die het materiaal vormen, waardoor de moleculen trillen. Verder zijn er tegengestelde krachten die de stroom van elektronen weerstaan. Deze botsingen en tegengestelde krachten creëren wrijving wanneer elektronen naar een lager potentieel stromen. Om deze wrijving te overwinnen, moeten de elektronen werk verrichten op basis van de door het materiaal gegenereerde warmte. De warmte gegenereerd door het materiaal (of verwarmingselement in deze context) wordt gebruikt om de temperatuur van de omliggende objecten te verhogen.

Extrinsieke eigenschappen van weerstand
Weerstand is een extrinsieke eigenschap van een materiaal; Het verwijst naar de kracht die zich verzet tegen de stroom van stroom of elektronen. Als extrinsieke eigenschap hangt het af van de lengte (l) en kruisen - sectiegebied (a) van het materiaal en kan worden berekend als r=ρl/a. In deze vergelijking is ρ de weerstand, een intrinsieke eigenschap die varieert met de temperatuur van het materiaal.

Met uitzondering van supergeleiders hebben alle materialen een zekere mate van elektrische weerstand. Om een ​​materiaal als een goed verwarmingselement te classificeren, moet het voldoende interne weerstand hebben. Materialen met hogere weerstand belemmeren effectiever de stroomstroom en genereren meer warmte. De weerstand van een materiaal dat als isolator werkt, moet echter niet erg hoog zijn.
Warmteoverdrachtsmechanismen
Keramische kachels brengen warmte over naar de omgeving door geleiding, convectie of straling. Geleidingswarmteoverdracht omvat warmteoverdracht tussen twee contactopdrachten. Convectie warmteoverdracht omvat warmteoverdracht tussen twee vloeistoffen (vloeistoffen of gassen). In een convectieruimtewarming stroomt lucht over het hete keramische verwarmingselement, waardoor de omgevingstemperatuur wordt verhoogd. Ten slotte wordt bij stralingswarmteoverdracht warmte -energie rechtstreeks uitgezonden aan nabijgelegen objecten of mensen via elektromagnetische straling.

Positieve temperatuurcoëfficiënt
Weerstand en weerstand variëren met temperatuur. Als de weerstand van een materiaal toeneemt met toenemende temperatuur, heeft het een positieve temperatuurcoëfficiënt. Keramiek, zijnde halfgeleidermaterialen, heeft een positieve temperatuurcoëfficiënt.

Wanneer de temperatuur van een keramisch verwarmingselement toeneemt tot de temperatuur van de instelpunt als gevolg van de absorptie van de stroom, neemt de weerstand toe tot oneindig, waardoor de stroomstroom en de opwekking van warmte worden gestopt. De temperatuur van het instelpunt hangt af van de samenstelling van het keramiek. Daarom kunnen keramische kachels zich aanpassen aan de omgevingstemperatuur en minder warmte genereren in warmere omgevingen. Ze bieden net genoeg warmte zonder de omliggende temperatuur overdreven te verhogen. Daarom zijn keramische kachels zelf - reguleren, een eigenschap die niet wordt gevonden in metaalverwarmingselementen. Dit zelf - Het reguleren van de natuur maakt ze veiliger om te werken.