بخاری های سرامیکی چگونه کار می کنند؟ فیزیک پشت گرم کن های دمای ثابت

بخاری های سرامیکی چگونه کار می کنند: پاسخ کوتاه

A بخاری سرامیکی با عبور جریان الکتریکی از یک عنصر سرامیکی PTC (ضریب دمای مثبت) که معمولاً از تیتانات باریم ساخته شده است، کار می کند که این جریان را مستقیماً از طریق گرمایش مقاومتی (ژول) به گرما تبدیل می کند. ویژگی بارز بخاری سرامیکی این است که دمای خود را بدون هیچ سنسور خارجی یا مدار کنترلی تنظیم می کند. - با گرمتر شدن سرامیک، هنگامی که از نقطه خاصی به نام دمای کوری عبور می کند، مقاومت الکتریکی آن به شدت افزایش می یابد، که به طور خودکار جریان عبوری از آن را کاهش می دهد. جریان کمتر به معنای گرمای کمتر است، بنابراین عنصر به خودی خود در دمای عملیاتی پایدار قرار می گیرد. دقیقاً به همین دلیل است که بخاری های سرامیکی به عنوان بازار عرضه می شوند بخاری های با دمای ثابت : رفتار دمای ثابت یک ویژگی جداگانه نیست - این یک پیامد فیزیکی مستقیم خود مواد سرامیکی است.

بقیه این مقاله فیزیک پشت این خودتنظیمی، دو طرح رایج بخاری سرامیکی، و جایی که از گرمایش سرامیکی با دمای ثابت در محصولات واقعی استفاده می‌شود - از بخاری‌های فضایی قابل حمل گرفته تا تجهیزات فرآیند صنعتی را بررسی می‌کند.

فیزیک پشت PTC سرامیک خود تنظیمی

بیشتر بخاری ها - برای مثال سیم پیچ فلزی در یک بخاری فضای قدیمی - دارای مقاومت ثابتی هستند. جریان بیشتری را به آنها بدهید و آنها به سادگی داغ و داغتر می شوند تا زمانی که چیز دیگری (ترموستات، فیوز، شخصی که آن را از برق جدا می کند) دخالت کند. مواد سرامیکی PTC در جهت مخالف رفتار می کنند و این تفاوت کل داستان است.

ترکیب و ساختار

عناصر سرامیکی PTC معمولاً از تیتانات باریم آغشته به عناصر خاکی کمیاب ساخته می‌شوند، سپس فشرده شده و در دمای بالا به شکل دیسک‌ها یا مربع‌هایی با الکترودهای متصل به هر صفحه فشرده می‌شوند. این فرآیند تف جوشی یک ساختار پلی کریستالی را در سطح دانه تشکیل می دهد، که به سرامیک تمام شده رفتار الکتریکی خود تنظیم می کند تا مقاومت خطی ثابت.

آنچه در نقطه کوری اتفاق می افتد

هنگامی که برق برای اولین بار اعمال می شود، سرامیک سرد است و مقاومت آن کم است، بنابراین جریان آزادانه جریان می یابد و عنصر به سرعت گرم می شود - به همین دلیل است که بخاری های سرامیکی تقریباً بلافاصله پس از روشن شدن احساس گرما می کنند. همانطور که دمای سرامیک بالا می رود و از نقطه کوری خود عبور می کند، تحت یک انتقال فاز قرار می گیرد و مقاومت الکتریکی آن افزایش می یابد. چندین مرتبه بزرگی در یک نوار دمایی بسیار باریک . این سنبله مقاومت ناگهانی جریان را خفه می‌کند، که قدرتی را که عنصر به عنوان گرما از بین می‌رود، کاهش می‌دهد، که به نوبه خود از بالا رفتن بیشتر دما جلوگیری می‌کند.

رسیدن به تعادل

این عنصر در نقطه ای ته نشین می شود که حرارتی که تولید می کند دقیقاً برابر با گرمایی است که به هوای اطراف از دست می دهد - تعادلی خودپایه که برای حفظ آن نیازی به سنسور، میکروکنترلر و ترموستات ندارد. اگر جریان هوا در اطراف بخاری کاهش یابد (مثلاً یک دریچه مسدود شده) یا دمای اطراف افزایش یابد، المنت به جای ادامه دادن به بالا رفتن، به طور خودکار خروجی خود را کاهش می دهد، که این مزیت اصلی ایمنی نسبت به المنت های گرمایشی مبتنی بر سیم است.

دو طرح اصلی بخاری سرامیکی

هنگامی که خود عنصر PTC را درک کردید، سوال طراحی باقی مانده این است که چگونه گرما از آن عنصر سرامیکی به داخل اتاق یا فرآیند می رسد. دو پیکربندی غالب وجود دارد و انتخاب بین آنها بیشتر به جریان هوا و محدودیت فضای برنامه بستگی دارد.

بخاری های سرامیکی پره ای (همرفتی).

در طراحی باله، بلوک سرامیکی PTC با پره های آلومینیومی رسانا ترکیب شده است. جریان، سرامیک را گرم می‌کند و سرامیک آن گرما را به پره‌ها منتقل می‌کند، که سپس آن را از طریق همرفت طبیعی یا یک فن که هوا را به سطح باله فشار می‌دهد به هوا آزاد می‌کند. سطح بزرگ پره ها گرما را به طور یکنواخت پخش می کند و به کل مجموعه کمک می کند تا از نقاط داغ جلوگیری کند، که این طرح را برای بخاری های فضای کل اتاق، بخاری های کارگاهی و دفاتری که گرمایش سریع و حتی هوا اهمیت دارد، رایج تر می کند.

هیترهای سرامیکی لانه زنبوری

طرح‌های لانه زنبوری از دیسک‌های سرامیکی PTC کوچکی استفاده می‌کنند که با صدها دیافراگم کوچک که از داخل مجموعه عبور می‌کنند، استفاده می‌کنند، که هوا مستقیماً به جای سطح باله از آن عبور می‌کند. این هندسه سطح در تماس با هوای متحرک را به حداکثر می‌رساند، بنابراین مجموعه‌های لانه زنبوری نسبت به طرح‌های باله تمایل دارند خروجی حرارت بیشتری را در واحد اندازه تولید کنند. مجموعه های لانه زنبوری سه دیسکی استاندارد حدود 1100 وات، نسخه های چهار دیسکی حدود 1500 وات و نسخه های پنج دیسکی تا 2000 وات تولید می کنند. - سطوح خروجی که می‌توانند تا 50 درصد بیشتر از یک کویل یا بخاری سرامیکی پره‌ای معمولی با اندازه مشابه کار کنند، به همین دلیل است که مجموعه‌های لانه زنبوری اغلب در کاربردهای فشرده و پربازده مانند سشوار، بخاری لوازم کوچک و گرمایش کابین خودرو نشان داده می‌شوند.

انتقال حرارت سرامیکی همرفتی در مقابل تابشی

جدا از سؤال باله در مقابل لانه زنبوری، انتخاب دوم طراحی است: آیا بخاری ابتدا هوا را گرم می کند (همرفتی) یا مستقیماً اشیاء و افراد را گرم می کند (تابشی). این تمایز برای انتخاب محصول مناسب بیش از آنچه که اکثر خریداران متوجه می شوند اهمیت دارد.

• بخاری‌های سرامیکی همرفتی از یک فن برای کشیدن هوای خنک در سرتاسر عنصر سرامیکی استفاده می‌کنند و هوای گرم را به داخل اتاق برمی‌گردانند و گرمایش سریع و یکنواختی را تولید می‌کنند که برای راحتی کل اتاق مناسب است.
• هیترهای سرامیکی تشعشعی از یک صفحه سرامیکی مسطح استفاده می کنند که مستقیماً گرمای مادون قرمز را ساطع می کند و اشیاء و افراد در تماس را بدون نیاز به گرم کردن هوای اطراف گرم می کند، که گرمای مورد نظر را تقریباً فوری می دهد.

هیچ‌کدام از این روش‌ها به طور کلی بهتر نیستند - مدل‌های همرفتی مناسب اتاق‌های بسته‌اند که حتی دمای هوا در آن‌ها اهمیت دارد، در حالی که مدل‌های تابشی مناسب فضاهای باز یا پیشرو (گاراژ، پاسیو، کارگاه‌ها) هستند که گرمایش هوا باعث هدر رفتن انرژی می‌شود.

"هیتر با دمای ثابت" در واقع به چه معناست

اصطلاح گرمکن دمای ثابت به دو معنای مرتبط اما متمایز به کار می رود، و ارزش دارد که آنها را به وضوح از هم تفکیک کنید، زیرا سطوح مختلفی از دقت را نشان می دهند.

خود تنظیمی ذاتی (PTC استاندارد)

این همان رفتاری است که در بالا توضیح داده شد: یک عنصر سرامیکی PTC که در یک نقطه کوری خاص ساخته شده است، به طور طبیعی تقریباً در آن دمای عملیاتی ته نشین می شود، بدون نیاز به حلقه کنترل فعال. این برای کاربردهای مصرفی و همه منظوره - گرمکن فضا، گرمکن صندلی، سشوار، بخاری کابین خودرو - که در آن "ثابت" به این معنی است که دستگاه بیش از حد گرم نمی شود یا فرار نمی کند، نه اینکه نقطه تنظیم دقیق را تا کسری از درجه نگه می دارد، کافی است.

گرمایش دقیق کنترل شده فعال

کاربردهای صنعتی، آزمایشگاهی و پزشکی اغلب به تلرانس های سخت تری نیاز دارند تا اینکه خودتنظیمی غیرفعال PTC به تنهایی می تواند تضمین کند. این سیستم‌ها یک عنصر گرمایش سرامیکی یا مقاومتی را با سنسورهای دمای دیجیتال و یک الگوریتم کنترل PID (متناسب-انتگرال-مشتق) جفت می‌کنند که به طور مداوم دمای واقعی را با یک نقطه تنظیم مقایسه می‌کند و بر اساس آن توان را تنظیم می‌کند. سیستم‌های کنترل دمای ثابت با دقت بالا از این نوع، دقت 0.2± درجه سانتی‌گراد را نشان داده‌اند. در آزمایش ریزمحیط صنعتی - سطحی از کنترل که فراتر از آن چیزی است که فیزیک مواد سرامیکی به تنهایی ارائه می‌کند و برای کاربردهایی مانند پردازش دارویی، تولید نیمه‌رساناها و آزمایش مواد لازم است که در آن جابه‌جایی‌های کوچک دما بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارد.

کاربردهای رایج برای بخاری های سرامیکی

از آنجایی که عناصر سرامیکی PTC جمع و جور، ایمن هستند و برای جلوگیری از گرمای بیش از حد نیازی به مدار کنترل خارجی ندارند، در طیف وسیعی از صنایع - از محصولات روزمره خانگی گرفته تا تجهیزات حیاتی برای ایمنی - ظاهر می شوند.

1. بخاری های فضایی قابل حمل و بخاری های اداری، جایی که گرم شدن سریع و گرمای بیش از حد ایمنی بیشترین اهمیت را دارد
2. گرمایش کابین خودرو و گرمکن صندلی - کاربردهای خودرو در حال حاضر تقریباً 38٪ از کل تقاضای عناصر PTC را تشکیل می دهند.
3. سشوارها و وسایل کوچک مراقبت شخصی، که در آن مجموعه‌های لانه زنبوری در یک محفظه جمع و جور گرمای بالایی را ارائه می‌دهند.
4. فرآیندهای خشک کردن، قالب گیری و ذوب صنعتی که از زمان گرم شدن سریع و قابلیت اطمینان سرامیک بهره می برند.
5. تجهیزات پزشکی مانند دستگاه‌های جوجه‌کشی، که در آن رفتار خود محدودکننده بدون نقص به عنوان یک الزام ایمنی غیرقابل مذاکره در نظر گرفته می‌شود.
6. سیستم های مدیریت حرارتی باتری خودروهای الکتریکی و سیستم های گرمایش کابین

چرا بخاری های سرامیکی ایمن تر از بخاری های کویل در نظر گرفته می شوند؟

ایمنی رایج ترین دلیلی است که برای انتخاب سرامیک به جای عناصر گرمایش سیم پیچ سنتی ذکر شده است و دلیل این استدلال مستقیماً به فیزیک خود محدود شونده که قبلاً پوشش داده شده است بازمی گردد.

• بدون گرمایش سریع - مسدود شدن دریچه یا خرابی فن باعث می شود که سرامیک به جای ادامه افزایش دما، توان خروجی خود را محدود کند.
• سطح عملیاتی در اکثر طرح های PTC لانه زنبوری زیر نقطه احتراق مواد معمولی خانگی مانند کاغذ باقی می ماند.
• بدون عناصر سیمی شکننده - سنگ‌های سرامیکی هزاران چرخه گرمایش و سرمایش را بدون ترک یا شکستن تحمل می‌کنند که در نهایت کویل‌های فلزی را تخریب می‌کند.
• توزیع یکنواخت گرما در ساختار دانه، نقاط متمرکزی را که عناصر سیمی می توانند ایجاد کنند، از بین می برد

یک احتیاط عملی مستقیماً از این طراحی ناشی می شود: جریان هوا در اطراف یک بخاری سرامیکی PTC هرگز نباید مسدود شود، به عنوان مثال با کشیدن یک حوله روی دستگاه. محدود کردن جریان هوا، خطر آتش سوزی فوری را مانند بخاری کویل ایجاد نمی کند، اما می تواند محدودیت های ایمنی داخلی دستگاه را کاهش دهد یا باعث سایش غیریکنواخت عنصر سرامیکی در چرخه های مکرر شود، بنابراین سازندگان به طور مداوم توصیه می کنند که ورودی و خروجی را در حین کار تمیز نگه دارید.