Научни принципи керамичких грејача

Шта је керамички грејач?
Научни принцип керамичких грејача је да су керамички грејачи електрични грејачи који користе керамичке грејне елементе са позитивним температурним коефицијентом (ПТЦ) и стварају топлоту кроз принцип отпорног грејања. Керамички материјали имају довољну отпорност и топлотну проводљивост да генеришу и проводе топлоту када струја тече кроз њих. Имају високу чврстоћу и издржљивост. Због тога се добро понашају када се користе као грејни елементи. Грејни елемент керамичких грејача је направљен од чистих керамичких материјала, али већина њих су композитни материјали затворени металом и керамичким материјалима. Керамички материјал у последњем делује као изолатор, али у исто време спроводи топлоту у околину, чиме се минимизирају топлотни и енергетски губици повезани са неизолованим отпорним жицама.

Керамички грејачи се широко користе у индустријама као што су производи за сушење, кључање, формирање и топљење. Керамички грејачи се широко користе за грејање простора, обезбеђујући брзе, безбедне и чисте изворе топлоте.

Научни принципи керамичких грејача
Разумети важне научне принципе укључене у дизајн и рад керамичких грејача. Прво морамо да се позабавимо питањем отпорног грејања. Као што је раније поменуто, керамички грејачи раде на принципу отпорног загревања, познатог и као џул или омско грејање. Отпорно загревање је појава у којој се топлота ствара услед губитка отпора када струја пролази кроз материјал. То је облик претварања електричне енергије у топлотну енергију. Ова трансформација је корисна за електричне грејаче јер губитак отпора повећава њихову ефикасност. Међутим, овај ефекат није пожељан у одређеним ситуацијама, као што су пренос и дистрибуција енергије, као и рад већине врста електронских уређаја и уређаја.

Први Џоулов закон или Џул Ленцов закон математички илуструје однос између генерисане топлотне енергије и улазних електричних параметара. Овај закон каже да је топлота у јединици времена, односно снага грејања (П), директно пропорционална производу квадрата струје (И) и отпора (Р), израженог математичком једначином: П{{0 }}И2Р.

Отпорно загревање на молекуларном нивоу
Феномен отпорног загревања може се објаснити посматрањем шта се дешава унутар материјала током струјања струје на молекуларном нивоу.

Када постоји разлика потенцијала између две тачке у проводнику, ствара се електрично поље које убрзава кретање најудаљенијих слободних електрона између атома, чиме се обезбеђује кинетичка енергија за ове електроне. Електрони се крећу од тачака са већим потенцијалима у тачке са нижим потенцијалима. Брзина протока електрона назива се струја, основни електрични параметар. Струја је директно пропорционална напону (В) и разлици потенцијала између две тачке, а обрнуто пропорционална отпору; Овај однос је представљен математичком једначином: И=В/Р.

Када ови електрони теку ка тачкама са нижим потенцијалима, сударају се са атомима, другим електронима и нечистоћама које чине материјал, изазивајући молекуларне вибрације. Поред тога, постоје и супротстављене силе које ометају проток електрона. Када електрони теку према нижим потенцијалима, ови судари и супротне силе стварају трење. Да би савладали трење током кретања електрона, они морају да раде на основу топлоте коју генерише материјал. Топлота коју генерише материјал (или грејни елемент у овом чланку) користи се за повећање температуре околних објеката.

Спољашња својства отпора
Отпор је спољашња особина материјала, која се односи на силу реакције на проток струје или електрона. Као спољашња особина, зависи од дужине (л) и површине попречног пресека (А) материјала, што се може израчунати помоћу Р=ρ Л/А. У овој једначини, рхо је електрична отпорност, која је инхерентна особина која варира са температуром материјала.

Осим суперпроводника, сви материјали имају одређени степен отпора. За материјале који су класификовани као добри грејни елементи, морају имати довољан унутрашњи отпор. Материјали са већим отпором су ефикаснији у блокирању струјног тока и стварању више топлоте. Међутим, отпор материјала који се користи као изолатор не би требало да буде веома висок.

Механизам преноса топлоте
Керамички грејачи преносе топлоту у околно окружење путем проводљивости, конвекције или зрачења. Спровођење преноса топлоте подразумева пренос топлоте између два предмета у контакту. Конвективни пренос топлоте подразумева пренос топлоте између два флуида (течност или гас). У конвективном грејачу простора, ваздух струји кроз термички керамички грејни елемент и повећава температуру околине. Коначно, у радијативном преносу топлоте, топлота произведена електромагнетним зрачењем директно се емитује на оближње објекте или људе.

Позитиван температурни коефицијент
Електрична отпорност и отпор варирају са температуром. Ако се отпор материјала повећава са повећањем температуре, онда материјал има позитиван температурни коефицијент. Керамика је полупроводнички материјал са позитивним температурним коефицијентом.

Када се температура керамичког грејног елемента повећа на задату температуру услед апсорпције струје, отпор ће се повећати до бесконачности, чиме ће се зауставити ток струје и стварање топлоте. Задата температура зависи од састава керамике. Због тога се керамички грејачи могу прилагодити температурама околине и генерисати мање топлоте у топлијим срединама. Они обезбеђују само довољно топлоте без претераног повећања температуре околине. Због тога су керамички грејачи саморегулишући, што није присутно у металним грејним елементима. Саморегулишућа природа их чини сигурнијим за рад.