Wetenschappelijke principes van keramische verwarmingselementen

Wat is een keramische kachel?
Het wetenschappelijke principe van keramische verwarmers is dat keramische verwarmers elektrische verwarmers zijn die gebruik maken van keramische verwarmingselementen met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) en warmte genereren via het principe van weerstandsverwarming. Keramische materialen hebben voldoende weerstand en thermische geleidbaarheid om warmte te genereren en te geleiden wanneer er stroom doorheen stroomt. Ze hebben een hoge sterkte en duurzaamheid. Daarom presteren ze goed wanneer ze worden gebruikt als verwarmingselementen. Het verwarmingselement van keramische verwarmers is gemaakt van zuivere keramische materialen, maar de meeste zijn composietmaterialen omhuld door metaal en keramische materialen. Het keramische materiaal in de laatste fungeert als een isolator, maar geleidt tegelijkertijd warmte naar de omgeving, waardoor warmte- en energieverliezen die gepaard gaan met ongeïsoleerde weerstandsdraden worden geminimaliseerd.

Keramische verwarmers worden veel gebruikt in industrieën zoals het drogen, koken, vormen en smelten van producten. Keramische verwarmers worden veel gebruikt voor ruimteverwarming en bieden snelle, veilige en schone warmtebronnen.

De wetenschappelijke principes van keramische verwarmingselementen
Om de belangrijke wetenschappelijke principes te begrijpen die betrokken zijn bij het ontwerp en de werking van keramische verwarmers, moeten we eerst het probleem van weerstandsverwarming aanpakken. Zoals eerder vermeld, werken keramische verwarmers volgens het principe van weerstandsverwarming, ook bekend als Joule- of Ohmse verwarming. Weerstandsverwarming is een fenomeen waarbij warmte wordt gegenereerd door weerstandsverlies wanneer stroom door een materiaal gaat. Het is een vorm van het omzetten van elektrische energie in thermische energie. Deze transformatie is gunstig voor elektrische verwarmers, omdat weerstandsverlies hun efficiëntie verhoogt. Dit effect is echter niet wenselijk in bepaalde situaties, zoals bij energieoverdracht en -distributie, en bij de werking van de meeste soorten elektronische apparaten en apparaten.

De eerste wet van Joule of de wet van Joule Lenz illustreert wiskundig de relatie tussen de gegenereerde thermische energie en de ingevoerde elektrische parameters. Deze wet stelt dat de warmte per tijdseenheid, d.w.z. het verwarmingsvermogen (P), recht evenredig is met het product van het kwadraat van de stroom (I) en de weerstand (R), uitgedrukt door een wiskundige vergelijking: P=I2R.

Weerstandsverwarming op moleculair niveau
Het verschijnsel van weerstandsverhitting kan worden verklaard door te kijken naar wat er op moleculair niveau gebeurt in het materiaal als er stroom doorheen loopt.

Wanneer er een potentiaalverschil is tussen twee punten in een geleider, wordt er een elektrisch veld gegenereerd, dat de beweging van de buitenste vrije elektronen tussen atomen versnelt, waardoor kinetische energie voor deze elektronen wordt geleverd. Elektronen bewegen van punten met hogere potentialen naar punten met lagere potentialen. De snelheid van de elektronenstroom wordt stroom genoemd, een fundamentele elektrische parameter. De stroom is recht evenredig met de spanning (V) en het potentiaalverschil tussen twee punten, en omgekeerd evenredig met de weerstand; Deze relatie wordt weergegeven door een wiskundige vergelijking: I=V/R.

Wanneer deze elektronen naar punten met lagere potentialen stromen, botsen ze met de atomen, andere elektronen en onzuiverheden waaruit het materiaal bestaat, waardoor moleculaire trillingen ontstaan. Daarnaast zijn er tegengestelde krachten die de stroom van elektronen belemmeren. Wanneer elektronen naar lagere potentialen stromen, genereren deze botsingen en tegengestelde krachten wrijving. Om wrijving tijdens de beweging van elektronen te overwinnen, moeten ze werk verrichten op basis van de warmte die door het materiaal wordt gegenereerd. De warmte die door het materiaal (of verwarmingselement in dit artikel) wordt gegenereerd, wordt gebruikt om de temperatuur van de omringende objecten te verhogen.

Externe eigenschappen van weerstand
Weerstand is een externe eigenschap van een materiaal, die verwijst naar de reactiekracht op de stroom van stroom of elektronen. Als externe eigenschap hangt het af van de lengte (l) en de dwarsdoorsnede (A) van het materiaal, die kunnen worden berekend met R=ρ L/A. In deze vergelijking is rho de elektrische weerstand, wat een inherente eigenschap is die varieert met de temperatuur van het materiaal.

Behalve supergeleiders hebben alle materialen een bepaalde mate van weerstand. Voor materialen die als goede verwarmingselementen worden geclassificeerd, moeten ze voldoende interne weerstand hebben. Materialen met een hogere weerstand zijn effectiever in het blokkeren van stroom en het genereren van meer warmte. De weerstand van materialen die als isolatoren worden gebruikt, mag echter niet erg hoog zijn.

Warmteoverdrachtsmechanisme
Keramische verwarmers brengen warmte over naar de omgeving door middel van geleiding, convectie of straling. Geleidende warmteoverdracht omvat de overdracht van warmte tussen twee objecten die in contact zijn. Convectieve warmteoverdracht omvat de warmteoverdracht tussen twee vloeistoffen (vloeistof of gas). In een convectieve ruimteverwarmer stroomt lucht door een thermisch keramisch verwarmingselement en verhoogt de omgevingstemperatuur. Tot slot wordt bij stralingswarmteoverdracht de warmte die wordt gegenereerd door elektromagnetische straling direct uitgestraald naar nabijgelegen objecten of mensen.

Positieve temperatuurcoëfficiënt
Elektrische weerstand en weerstand variëren met de temperatuur. Als de weerstand van een materiaal toeneemt met toenemende temperatuur, dan heeft het materiaal een positieve temperatuurcoëfficiënt. Keramiek is een halfgeleidermateriaal met een positieve temperatuurcoëfficiënt.

Wanneer de temperatuur van het keramische verwarmingselement stijgt tot de ingestelde temperatuur door de absorptie van stroom, zal de weerstand oneindig toenemen, waardoor de stroom en warmtegeneratie stoppen. De ingestelde temperatuur is afhankelijk van de samenstelling van het keramiek. Daarom kunnen keramische verwarmingselementen zich aanpassen aan omgevingstemperaturen en minder warmte genereren in warmere omgevingen. Ze leveren alleen voldoende warmte zonder de omgevingstemperatuur buitensporig te verhogen. Daarom zijn keramische verwarmingselementen zelfregulerend, wat niet aanwezig is in metalen verwarmingselementen. De zelfregulerende aard maakt ze veiliger om te bedienen.