電熱器

電熱器是將電能轉換成熱能的設備(轉換效率不一定是100%)，與原來傳統燃料發熱相比，具有清潔衛生、沒有污染、熱效率高、方便控制和調節溫度的優點，目前被廣泛套用於日常生活中，如電飯鍋、電褥子、電烙鐵、電熱水器等等都是電熱器。

基本介紹

• 中文名：電熱器
• 外文名：Electric heater
• 發熱體：發熱電阻元件或電熱膜
• 原理：電流熱效應
• 提出人：愛迪生
• 套用：採暖、民用加熱

簡介

導體中有電流通過時會發熱，將電能轉化為內能，這種現象稱為電流的熱效應。主要利用電流熱效應來工作的裝置稱為電熱器（Electric heater）。傳統電熱器的主要發熱部件是發熱電阻元件，但隨著技術的革新，電熱膜作為電熱器新的發熱元件套用越來越廣泛。電熱是導體的一種基本性質，與通電導體的尺寸、材料、粗細程度有關。目前, 大部分電熱器採用發熱電阻元件加熱 。由於所消耗的電能是按平均電功率和使用時間來計算，以及測量和計算上的方便，電熱器熱計算仍以平均電功率為依據來進行。事實上，生產和日常生活中所使用的都是正弦交流電 。因此，發熱電阻元件的瞬時發熱率，即瞬時電功率產生的熱流量，也是隨時間而變化的，並非常數 。

工作原理

電熱器工作的原理是電流的熱效應（電流通過各種導體時，使導體溫度升高的一種現象），其根本是焦耳－楞次定律。焦耳定律的公式為： 。在電流通過導體時，如果電能全部轉化為內能，而沒有轉化為其他形式的能，那么，電熱就正好等於電功。這種情況下，焦耳定律也可以利用電功公式和歐姆定律推出，其公式可化為： 。

電阻式電熱器是利用電流通過具有電阻的導體時產生的熱量來加熱的。由於電流通過導體要克服導體的阻力要做功，而能的轉化是靠做功來量度的，所以電流做多少功，就有多少電能轉化成熱能。電阻率大，一定線徑的電阻線就會源源不斷的發熱，從而產生熱效應，這就是電熱器。

電熱器分類

電熱器都有一定的阻值，而它的電阻是又根據設定的功率來選用的，功率越大，總電阻就越小。 電熱絲的電阻率有一個適當的範圍，如果電阻率過大過小，就需要很短或很長、很細或很粗的電熱絲，這樣對大小功率的電熱器都有製造和使用的困難。根據通電目的的不同，電熱器可以分為純電阻類和非純電阻類，其中，純電阻類電熱器通電的目的只用於發熱，非純電阻類電熱器是通電後電能轉化為機械能同時線圈散熱的電器，如電風扇等，而非純電阻類又可以分為普通非純電阻熱點器和特殊非純電阻熱點器。

純電阻電路

交流電路中如果只有電阻，這種電路就叫做純電阻電路，如電燈，電烙鐵，熨斗等等，只將電能轉化為熱能，其中電燈的光能是從發熱的熱量轉化而來，因此它們都是純電阻電路。

純電阻電路的功率計算公式為： ，其中 是電壓， 是電流。功率主要是和電阻率有密切聯繫。一般來說，同材質的電熱絲，直徑越大，電阻越小，功率也越大。繞成線圈後，線圈的大小和形狀對功率沒有太大的影響。

純電阻電熱器

普通非純電阻電路

普通非純電阻電路的設備有發電機，電動機，電風扇、電解槽等，除了發熱以外還對外做功，所以這些是非純電阻電路。普通非純電阻電路設備的能量計算一般用到以下三個公式：

電功計算： ，電功率計： ，　電熱計算： 。

其中，電壓符號U ， 電流符號I ，電阻符號R ，R叫做物體的電阻係數或是電阻率，它與物體的材料有關，在數值上等於單位長度、單位面積的物體在20℃時所具有的電阻值。

常見的非純電阻電路有遠距離輸電塔、電動機等等。

特殊非純電阻電路

特殊非純電阻電路的熱量計算一般需要考慮以下幾點：

（1）首先需要確定升溫時間（H）和溫度差（℃）。如果時間要求很短，所需加熱功率就可能很大，浪費能源；如果時間過長，設備的準備時間就長，需要一個平衡點。

（2）主體設備以及連線管道內空氣的體積（立方米）。

（3）空氣比重1.16（Kg/m3），比熱0.24kcal/kg℃.

（4）加熱效率，一般為0.5~0.6。

加熱功率可以按下列公式計算：加熱功率（KW）=（體積X比重X比熱X溫度差）/（860X升溫時間X加熱效率）。

常見導體的電阻率

常見導體在20℃時的電阻率（Ω·m）如下：

銀0.016

銅0.0172

金0.022

鋁0.029

鋅0.059

鐵0.0978

鉛0.206

汞0.958

碳25

康銅（54%銅，46%鎳）0.50

錳銅（86%銅，12%錳，2%鎳）0.43

電阻率

電熱絲的一個重要參數，就是電阻率。電阻率過大，通入一定電流後，表面功率也就大。所以小功率的電器，就選用小直徑小電流，但是電流的大小決定於電阻的大小，電熱絲的長度和直徑就是經過計算的。

大型工業電爐使用電熱帶，就是要加大表面積，保證表面功率不會超標。同時為了保證大功率，又必須有足夠大的電流，這樣每一根電熱帶的長度和斷面面積和形狀，都是綜合考慮的。 所以電熱器使用的電熱絲（帶），在設計一種電熱器的時候，就要功率多方面的因素。 如：這種電熱器需要的功率、電熱器的技術要求、選用什麼材料、這種材料的允許表面功率、電熱絲（帶）的截面面積、電熱絲的長度、電熱絲的形狀（直行、螺旋、折線、纏繞等）等等。

電阻率大了，使用一定線徑的電阻線繞制具有一定阻值的發熱體時，所需電阻線的長度就短，這樣減小了電熱器的體積。要保證發熱體在高溫下仍能正常工作，繞制發熱體的電阻線的熔點就要高。例如，電爐絲通常使用鎳鉻合金材料，耐溫可超過1000℃。

發熱元件發展趨勢

金屬發熱元件

傳統電熱元件的主體材料一般分為兩大類：（1）金屬材料： 貴金屬及其合金，如鉑、銥；重金屬及其合金，如鎢、鑰；鎳基合金，如鎳鉻、鎳 鉻鐵；鐵基合金，如鐵鋁、鐵鉻鋁；銅基合金，如康銅、新康銅。（2） 非金屬材料：矽鑰棒，主要原料為 ， ；碳化矽，主要原料為 ；PTC（Positive Temperature Coeffieient of Resistivity），主要原料為 。

金屬電熱管是管狀電加熱元件，用金屬管作外殼，管中放入合金電阻絲作發熱體，在管內填實具有良好絕緣和導熱性能的結晶氧化鎂的一種電加熱元件，隨著遠紅外輻射塗料及其使用技術的發展，亦可在管壁發熱部分加上遠紅外輻射塗層，成為遠紅外輻射電熱元件。電熱管特點：使用方便，具有升溫快，熱延性小，熱效率高，耗電省，使用壽命長，它可以加熱靜止或流動的空氣，可以浸在水內或其它液體中進行加熱，並能熔煉輕金屬與金屬模具加熱用。因而它已被國民經生產各部門廣泛使用，諸如用於各行各業的硝石槽、水槽、油槽、酸鹼槽的加熱，以及各種空氣加熱爐，乾燥箱，煮水器等。金屬電熱管採用優質不鏽鋼管材料以及耐高溫絕緣填充材料和嚴格的工藝技術製成，管口經過特殊工藝密封，在相對濕度 85%情況下可正常工作。其最高工作溫度為 800℃。

空氣中加溫電熱管用於按裝在空氣加熱系統的吹風管道中，作吹送熱空氣用，也可作為各種烘箱、電爐、展示櫃、冷櫃、冰櫃、乾燥除霜的發熱元件。

石英管

石英玻璃電熱管，石英電熱管是採用乳白石英玻璃管，在管內裝進帶有支架的螺旋狀電熱絲為發熱元件，是目前唯一無塗層的選擇性遠紅外輻射加熱元件，與其它加熱元件相比，光譜輻射匹配吸收特性好，長期使用輻射性能不退變，電熱轉換效率高，升溫快、熱慣性小，耐高溫、耐腐蝕，熱化學性能穩定性好，使用壽命長，絕緣強度高，無污染，與其它電加熱元件相比可節能 30%左右。

可廣泛地套用在工業、農業、民用領域的空氣加熱。雙孔鍍金加熱器半面鍍金：能獲得寬譜紅外輻射，加熱效果更佳， 主要套用在油漆烘乾、菸草行業、紡織行業、塑膠行業、印刷行業、農業、糧食行業、製藥行業、橡膠行業、骨膠行業、造紙和紙箱行業、木材和木器製造行業、陶瓷和搪瓷等行業以及要求無染的環境，含酸鹼等腐蝕性加熱場合。

鹵素電熱管

鹵素電熱管是一種密封式的發光發熱管，內充鹵族元素，能有效保證電熱絲壽命。在烤爐使用中要求符合 GB/T241993 電工電子產品基本環境試驗規程，和GB4706.1-19921 家用和類似電器的安全通用要求。

其有如下基本性能：

（1）電氣性能穩定，電熱功率穩定，升溫快，電熱轉換率高達 70%。

（2）熱效率高、加熱不氧化、使用壽命可達 3000 小時以上，安全可靠。

（3）工作時發出的光以可見光和近紅外光為主，84%以上集中在 0.75μm～3.5μm 區域。

可廣泛地套用在工業、農業、民用領域的空氣加熱。形狀可以加工製作成直管或彎管。

陶瓷電熱管

陶瓷遠紅外電熱元件是在陶瓷基體上製作半導體厚膜，經高溫燒結而成的具有正溫度係數特性的遠紅外直熱式電熱元件。陶瓷電熱元件膜與基體結合十分牢固，遠紅外發射率在 90%以上，具有發熱溫區寬、功率密度大、電熱轉換效率高、節能、安全（無明火）、壽命長，可在交、直流電壓下工作，滿足無感加熱要求等特點，由於其能量主要集中在 4-10um 頻段範圍，特別適合有機材料的烘烤，對人體有治療與保健功效。對工業、農業、國防、科研和民用電器等領域的傳統加熱方式具有良好的替代性與變革性。

陶瓷導電釉直熱式遠紅外輻射電熱管（簡稱陶瓷電熱管 ）是新一代高科技節能電熱產品，成功地解決了傳統發熱元件的諸多缺陷，如：碳化矽板、金屬管、石英管、電熱膜等傳統電熱材料升溫慢轉換效率低、壽命短、環境適應差、安全性能差等諸多缺陷。

廣泛套用於工業、農業、輕工業、化工、汽車、醫療、紡織、家用電器等行業。 如微型電熱陶瓷管/片是在高強度陶瓷管/片上燒結一層電阻材料而成。具有體積小，重量輕、功率密度大，壽命長，耐候性能好等特點。Φ6 的瓷管功率密度可達 500W/m。最小直徑可達 Φ3mm，片狀厚度可達 1mm。產品可按要求定做。常用瓷管規格一般有 Φ3，Φ6，Φ12，Φ16，Φ20，Φ25 等。可作空氣加熱或加熱管內流動的液體。

碳纖維發熱體

碳纖維是一種新型的高性能纖維增強材料，它具有高強度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導電、導熱和遠紅外輻射等諸多優異性能。它可以依複合材料形式減輕構件重量，從而提高構件的技術性能。現已廣泛套用於航天航空、新型紡織機械、石油化工、醫藥器械、汽車、機械製造、建築行業、文體用品、電信、電加熱等高新技術領域。它的廣泛套用將會極大的改變我們的生活方式和提高我們的生活質量。

碳纖維遠紅外電熱線，以非金屬材料碳纖維為發熱體，熱效率高達99%以上，不氧化、電阻值穩定，無磁場、可以摺疊、洗滌。另外，他的遠紅外功能是用於保健產品的最佳材料，被譽為纖維中的“軟黃金”。 碳纖維發熱體是本世紀最具競爭力的高科技材料，它的出現在電熱領域掀起了一場新的革命，碳纖維發熱體替代金屬發熱體將成為一種必然的趨勢。發熱體具有功率餘量大、耐高溫、高熱能力強、使用壽命長、且功率可隨意調節等優點。碳纖維石英電熱管產品具有如下基本性能特點 ：

（1）電氣性能穩定；

（2）熱效率高，比一般金屬發熱體節能 30%以上，升溫速度極快；

（3）使用壽命長；

（4）另外與金屬發熱體不同，碳纖維本身的特性，它完全避免了電磁場的產生。

電熱膜

電熱膜屬於非金屬材料。它是將一種能導電的細片狀或細粉末狀物質，加上粘結劑調勻後，直接刷塗或噴塗 在玻璃、陶瓷或絕緣的金屬載體上，再經過室溫乾燥、定溫燒結而形成的薄層電阻，俗稱電熱膜，也稱印刷電阻或噴塗電阻。電熱膜基體材料則是一種極為穩定的密排六方晶體，不會氧化，熔點很高。電熱膜即使受到劃傷、斷裂或有其它形式的損傷，也可以非常容易地用刷塗或噴塗法修復，是一種很有發展前途的新型材料。

由於電熱膜直接刷塗或噴塗在載體上，故它不像電阻絲那樣要附加帶槽配件，因而簡化了結構和工藝，減輕了重 量，縮短了生產周期 ，降低了產品成本 ，同時，也節約了因配件升溫而引起的無功耗電。且電熱膜緊貼載體，構成了極大的直接導熱面，熱量直接為載體所吸收，故熱效率高。

特殊電熱器

有些特殊的電熱器，如電熱毯，要求散熱面積大，單位功率低，如果使用通常的鎳——鉻和鐵——鉻——鋁電熱絲，就需要截面積極細的電熱絲，根本無法製作。所以電熱毯就是使用錳銅絲製作，錳銅絲的電阻率比鐵鉻鋁小得多，這樣才有足夠的長度。 理論上，電熱片單位面積內功率越大，發熱量就越大，相同條件下達到最高溫度的時間就越短。但是一定面積內功率有個限度，不能太高，否則，一通電就會燒壞絕緣片或燒斷鎳鉻線。

電熱原理