熱積聚對電熱元件性能的影響以及新品開發(fā)的方向探索 - 2019-04-03- 蘇泊特科技有限公司帶你了解熱積聚對電熱元件性能的影響以及新品開發(fā)的方向探索：1.對電熱管中如何產(chǎn)生熱積聚現(xiàn)象從原理上剖析，從中了解電熱管由于熱積聚導致熱態(tài)安全性能的下降以及壽命或電熱效率都較低的事實，從中尋找合適的方式來彌補。2.從十五年前行業(yè)創(chuàng)導電熱元件朝著大功率小體積的方向發(fā)展，而行業(yè)近年來在創(chuàng)新項目上幾乎停滯不前，原因是對目前技術(shù)存在問題沒有原理上的認識，也就談不上創(chuàng)新的立足點，從節(jié)能的需求來解決熱積聚的問題從而誘導出新產(chǎn)品的研究思路與開發(fā)的重點。3.新品開發(fā)的相關(guān)理論已經(jīng)實踐取得了空前的成功，但相關(guān)原理與結(jié)構(gòu)特征已經(jīng)取得相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，警告不要輕易模仿以避免侵權(quán)。4.在全文介紹相關(guān)內(nèi)容過程中，我們?nèi)渴÷云涔窖菟氵^程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖示，其原因就是不在侵權(quán)范疇內(nèi)介紹新的技術(shù)特征，對此敬請諒解。電熱管的技術(shù)狀況在近五年多時間內(nèi)只是現(xiàn)有技術(shù)的普及與小改小革，并沒有重大實質(zhì)性的提高與發(fā)現(xiàn)，因此就目前行業(yè)整體來說處于創(chuàng)新產(chǎn)品的斷層期，并且有關(guān)在電熱技術(shù)行業(yè)所長久存在的缺陷也一直未能突破，造成了對應用行業(yè)發(fā)展的阻礙。例如：我們要實現(xiàn)大功率小體積的電熱元件，但急需具有超導熱而又有很好的電氣絕緣性的填充材料是無法在短期內(nèi)提供市場所需的，因此其計劃也就無法實現(xiàn)；而且事實上目前就電熱管的結(jié)構(gòu)與應用也有很多不盡人意的缺陷。例如：電熱管的電熱效率只能憑供應商所提供鎂粉品質(zhì)好壞來決定（氧化鎂純正度是較難自檢的）；填充材料的熱穩(wěn)定性又限制著高負荷產(chǎn)品的進一步體積優(yōu)化設(shè)計方案等等情況，所以有必要對目前電熱技術(shù)所存在的死區(qū)內(nèi)容作全面定性的研究，從原理性的突破再尋求結(jié)構(gòu)性的突破，這樣整體水平才會自然提高，否則只有等待到材料行業(yè)的突破再引入則為時已晚，本文的中心一是剖析問題，二是解決問題的思路探索，由于忙于項目的開發(fā)與試驗等工程問題，所以在總結(jié)完善其理論方面還沒有系統(tǒng)歸納，文章所提出的論點或論據(jù)如存在原則性的缺點或錯誤敬請同行批評指正。一、熱積聚現(xiàn)象特征及產(chǎn)生的主要因素在電熱管的結(jié)構(gòu)中填充材料是起導熱作用的，而且它必須具備相應的電氣安全性，并且其特征又必須要有對應的熱穩(wěn)定性，用行業(yè)專業(yè)語言表達就是耐高溫低泄漏而且要防潮，就針對目前填充材料的特性來分析，在以電熔改性鎂粉作為行業(yè)主導使用材料中，它具有較為經(jīng)濟實用的事實是存在的，但這種材料本身具有的導熱能力并沒有太大的優(yōu)勢，也就是說，它的熱阻特性依然存在，其純度和密度即使是理想狀態(tài)時它們對熱的傳導能力還是有一定的局限性，通俗說就是材料熱阻特征的存在無法起到充分的導熱，況且從發(fā)熱絲表面到管殼內(nèi)表面為保證一定的電氣安全強度，它必須有一定的距離存在，所以此時的熱阻總值又是與爬電距離成正比關(guān)系，要實現(xiàn)熱傳路徑零熱阻這種特征是目前材料業(yè)幾乎不可能解決的現(xiàn)實。發(fā)熱管工作過程中發(fā)熱絲是電能轉(zhuǎn)換成熱能的主要部件，而它所產(chǎn)生的熱量從理論上講可以認為是一具有連續(xù)函數(shù)特性的，如果因為填充材料的導熱能力小于發(fā)熱絲產(chǎn)生的熱量，則在管內(nèi)或者說在填充材料中必然要有熱的剩余，這種現(xiàn)象的時間性積累就是我們所定義的熱積聚；對上面所介紹的內(nèi)容我們可以總概為熱積聚現(xiàn)象產(chǎn)生的結(jié)論是：熱傳路徑上由于傳熱材料傳熱能力不足而造成熱的剩余，就是熱積聚，所以材料熱阻特征決定了熱積聚程度的大?。ɡ靡陨系慕Y(jié)論與條件對應的數(shù)學模型不仿自行嘗試建立起來）。二、電熱元件熱積聚現(xiàn)象對電熱元件性能影響的綜合評估過去我們在有關(guān)文章中曾介紹過有關(guān)電熱管的熱慣性特征，表述的含義與熱積聚現(xiàn)象類同，在理論結(jié)構(gòu)上沒有上述的專業(yè)系統(tǒng)化，但這種現(xiàn)象對電熱管的性能卻有四大致命的影響，現(xiàn)歸納描述如下：1、對壽命的影響：眾所周知發(fā)熱絲所處環(huán)境溫度愈高，它在線工作狀態(tài)有二大特征即一是CT系數(shù)明顯增加，二是發(fā)熱絲對高溫環(huán)境的熱腐蝕抵抗能力直接決定了它的使用壽命；由于熱積聚現(xiàn)象的存在，管內(nèi)環(huán)境溫度一定遠高于吸熱介質(zhì)的溫度，而填充材料熱態(tài)時的PH值已顯示出對發(fā)熱絲具有強大的腐蝕力的特征也已表露無疑，所以熱腐蝕對電熱絲或電熱管的壽命決定性的結(jié)論具有充分的理論支持和實驗數(shù)據(jù)來支持，對此結(jié)論內(nèi)容是我們公開發(fā)表。2、電熱效率的下降：填充材料與其它材料熱阻特征基本類似，即它在不同溫度狀態(tài)下的熱阻值是不同的，即說明材料熱阻值具有非常數(shù)特征的一致性是類同的，而且這種熱阻值所具有的正溫性，說明了填充材料溫度愈高所呈現(xiàn)的熱阻值也愈大，所以在溫度愈高的環(huán)境中熱積聚現(xiàn)象就愈嚴重，其填充材料的熱傳導能力或電熱效率也就愈低的理論與實際檢測的結(jié)論也就完全對應一致了。3、防潮防濕能力的下降：電熱管的防潮能力是由封口材料和填充材料中防潮劑材料來決定的，而防潮劑目前無論所采用的是甲基硅油或二甲基硅油甚至含氫硅油，它們的耐溫性雖然有所區(qū)別，但需要達到600℃以上高溫的忍耐力從目前技術(shù)特征分析還不具備這種要求，所以有相當多的電熱管經(jīng)使用不長時間后出現(xiàn)電熱管的防潮能力有下降或失效的現(xiàn)象也就不足為奇了，原因已十分清楚，即此時的硅油已部分或全部被熱積聚所產(chǎn)生的管內(nèi)高溫所碳化。這就是最終的結(jié)論。4、?熱慣性現(xiàn)象對控制的影響：對熱慣性的描述分啟動與關(guān)閉二種不同特征現(xiàn)象區(qū)分介紹，電熱管如管內(nèi)不存在熱阻性，則它在啟動時管表溫度應很快達到發(fā)熱絲表的溫度，而事實上絲表溫度是管表永遠無法達到的，而且要達到管內(nèi)填充材料的平衡溫度也需相當?shù)臅r間，用電工學的專業(yè)術(shù)語表述即這種響應是一種滯后的現(xiàn)象；而斷電后電熱管表的余熱仍會存在相當長的時間來釋放，如果定性實檢時，電熱管處于液體中，斷電后電熱管內(nèi)的熱積聚能量還會使液體溫度繼續(xù)升高。上述的這些特征一是進一步說明管內(nèi)有熱積聚的現(xiàn)象事實存在，另一方面告知這種熱積聚特征要對它有事先防范意識，例后面所說余溫會使液體溫度進一步升高的特例，在即熱式電熱水器中就有這種現(xiàn)象時有燙傷的事故發(fā)生，而電氣控制對這種特征幾乎無法實現(xiàn)同步控制，敬請?zhí)貏e注意。三、規(guī)避措施我們對這種現(xiàn)象分析的同時，尋找對應解決的方案是同行所關(guān)切的內(nèi)容，在導入主題前我們首先對現(xiàn)有產(chǎn)品如何改良進行引導，期望短期內(nèi)品質(zhì)有較大的提高，在此我們對下述內(nèi)容申明其作用是對熱積聚現(xiàn)象的改良而非根除，因為我們無法提供超導熱的材料應用于電熱管的制造，只能從工程的角度來盡量減少這種特征的危害程度。1、密度法：單位體積中參與導熱材料的多少決定了整體的導熱能力，這已是普通的理論基礎(chǔ)，為減少因?qū)崮芰Σ蛔愣a(chǎn)生的熱積聚現(xiàn)象，電熱管中填充材料的密度值是關(guān)注的重點，就目前的填充材料與機械的功能來分析，其密度的基本保證量在3.05～3.10g/cm3?之間，而部分企業(yè)的工藝工裝水平由于缺乏相應的理論認識，遠低于此水準，所以其產(chǎn)品的綜合性能遠不能達到應有的指標。這只是總體的評價，而作為電熱管的應用，在設(shè)計過程中不可避免需要有不同程度彎曲成形，對具有R結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中由于管壁不同程度的延伸，其管內(nèi)的填率密度必定會下降，在這種情況下，工程的應對辦法就是采用對這些部位進行面積壓縮的整形處理，以恢復達到設(shè)計值。有關(guān)詳細內(nèi)容請參閱《電熱技術(shù)與工程實踐》有關(guān)章節(jié)。2、純度法：鎂砂作為主要的填充材料，在它的成份中有氧化鎂、氧化鈣、三氧化二鋁、二氧化硅和三氧化二鐵的五大主要成份，這些不同成份材料的導熱性能從其導熱系數(shù)的大小可以判斷出中間三種成份的導熱系數(shù)要小于氧化鎂，而三氧化二鐵由于電氣性不適合安全性的基本要求而列入危害性雜質(zhì)外，如何采用高純度氧化鎂材料作為填充物是減小熱積聚的又一個成本難題，但作為以安全和節(jié)能為主要因素考慮其可選性還是應當重視的。3、控制功率密度的設(shè)計：功率密度的大小對于導熱能力已經(jīng)確定的環(huán)境條件下是由熱積聚大小的決定因素，所以在與成品配套設(shè)計的電熱管在面積設(shè)計負荷這個關(guān)鍵指標的確定前，首先要做出對應的物理模型進行量化分析，從熱傳導的角度去進行定性的計算從中確定合理與否，而不是經(jīng)盲目的打樣試驗來尋找是否可靠的依據(jù)，當然，對管表負荷具體值的確定方法還要取決于元件所處的工作環(huán)境因素以及管材性質(zhì)和場合所需。4、爬電距離的嚴格控制：熱傳路徑的長短直接決定了熱傳過程中的熱阻大小，由此決定了熱積聚量的大小，但應該說在如何選擇爬電距離的問題上許多企業(yè)存在理念上的差異，因為太小的爬電距離雖然解決了熱積聚的問題（當然熱效率等問題也同步得到改善），但它的不良品率也會隨之增加，如果要達到期望的品質(zhì)效果，則選擇局部犧牲也是值得的，而對重表面合格率的做法事實上會存在較大的隱患和風險，是不可取的。從上面的內(nèi)容我們介紹了有關(guān)熱積聚的產(chǎn)生和相應的工程補救方式，要做到上述內(nèi)容對工程技術(shù)人員來說尤其是從事于設(shè)計和工藝方面的應該不存在任何難點，而即使是照本宣科，其產(chǎn)品也只屬于局部的改進，而且是有限度的，因為你無法改變熱的傳導方式，也無法改變材料的特征，但經(jīng)過上面的全面分析我們已知道了問題產(chǎn)生的原因，因此我們有了相對應的辦法，現(xiàn)從熱傳路徑來再次深化討論。四、從熱傳路徑再分析熱積聚的根源在目前的電熱管結(jié)構(gòu)上，我們可以將電熱管的熱傳導過程近似看作以螺旋發(fā)熱圈為質(zhì)點的同心圓熱散發(fā)場，理論上質(zhì)點的單位趨于無窮小，而我們?yōu)槭裁磳⒙菪l(fā)熱圈作為質(zhì)點呢？這就是描述問題的立足點所在。首先我們對任一支已經(jīng)使用過的電熱管進行縱向剖析，可以直視到內(nèi)部尤其在芯部的填充材料有灰色的特征，而這種灰的程度由類似管表負荷使用時間長短等因素決定，先暫不對此展開，現(xiàn)重點描述熱散發(fā)場的有關(guān)物理現(xiàn)象；1、單向或單維導熱場的模型：當發(fā)熱絲繞制成螺旋狀以后，芯棒區(qū)域內(nèi)所在的空間在工作狀態(tài)是沒有參與任何熱傳導的，而且在其區(qū)間內(nèi)會形成一個高溫特性的恒溫場，由于其填充材料的熱阻特征，所以它只有貯存熱量的作用，參與熱傳導的真正質(zhì)點是絲表靠近管表部分的近半面積部分，而它的理論支持點是：熱量永遠是朝著低能量的方向擴散的。從中我們可以清楚知道：螺旋發(fā)熱絲的外側(cè)面才是電熱管的有效熱傳導散熱區(qū)，而芯部是電熱管的高溫死區(qū)，只有當死區(qū)內(nèi)的溫度高于圈外溫度時，它才會有熱的溢出，這種熱傳導方式從理論上講它屬于平面的或單向性的，而將整個發(fā)熱圈作為質(zhì)點化的理由是其內(nèi)部溫度幾乎與絲表外側(cè)溫度類同，因此其假設(shè)論點具有量化指標上的可信度（除非絲間距有足夠大的狀態(tài)時這種描述就有缺陷存在）。2、芯部工作狀態(tài)特征的概述：發(fā)熱絲芯部是整支電熱管的高溫區(qū)這一事實是大家可以認識的，但它也是整支電熱管熱積聚現(xiàn)象最嚴重的區(qū)域，沒有熱散發(fā)的空間只有熱量的積累，無論是防潮材料還是鎂砂中類似于低熔點的如二氧化硅等熱不穩(wěn)定材料，在此區(qū)域內(nèi)首先被碳化的過程也就不需要再多加解釋，現(xiàn)要說明的是：芯部填充材料熱積聚在量值上與其相關(guān)的因素必須解釋清楚：①絲與絲之間的間距愈小，其積聚量就愈多（絲間距愈小則相當于形成了一個閉環(huán)區(qū)域）；②芯部填充物密度愈低其芯部升溫速度愈快（溫度成像儀可證實），而且絲的載流能力也愈低，從芯部空松鎂粉的電熱管極易燒斷的事實可以證實其論證它的一致性；③絲表內(nèi)外側(cè)的熱腐蝕程度在顯微鏡下的特征已充分說明了所推論的正確性。在經(jīng)過上述一系列的表述之后，我們發(fā)現(xiàn)了一個新的認識，即現(xiàn)在對絲表負荷的概念只是一個數(shù)學平均值，而實際上絲表負荷存在表面積不同的承受力。管內(nèi)有熱積聚的現(xiàn)象存在已經(jīng)被證實的同時，我們也同時發(fā)現(xiàn)了芯部存在熱量傳導的死區(qū)，并且電熱管是一種單向?qū)崽卣鞯脑?，所以我們就以此為突破點，即采用雙向?qū)岬母拍钜胄缕烽_發(fā)的思路（以前所發(fā)表有關(guān)的表面擴展型和散熱片結(jié)構(gòu)之產(chǎn)品雖有一定的功用但不屬原理性突破的范疇）。對所有分析內(nèi)容我們給予一個定論，即產(chǎn)生熱積聚現(xiàn)象是由于填充材料的導熱能力不足所產(chǎn)生的，這是目前結(jié)構(gòu)和材料特征所決定的。五、雙向?qū)犭姛嵩Y(jié)構(gòu)特征概述如果說單向?qū)岬碾姛峁苁菍嵭倔w的話，它芯部的熱量是無法參與導熱（或者說發(fā)熱絲實際上是單邊或表面積的熱散發(fā)），所以我們研發(fā)出一種將發(fā)熱絲芯部熱量可以誘導并參與熱交換的電熱管，簡稱雙向?qū)犭姛峁?，其特征就是一支空芯電熱管，其用途是在即熱式電熱水器或有循環(huán)冷卻裝置的電加熱器具中，如即熱即開式開水機、蒸汽發(fā)生器和類似于咖啡壺機電加熱管；在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)產(chǎn)品不同的就是“空芯”，并且芯部直接參與熱傳導，如果說它在原理上已解決了單向?qū)岬娜毕?，還不如從它的性能上的表現(xiàn)再進行評估，請從如下試驗數(shù)據(jù)進行分析：1、管的設(shè)計負荷是3300W/220V，單面的管表負荷分別是23W/cm2和34W/cm2?，工作于供水壓力在0.03MPa的環(huán)境下，芯部為進水處，而它的出水仍由電熱外管循環(huán)加熱，流量為0.8L/min，原始水溫為18.7℃，從通電瞬間至輸出溫度恒定不變，在時間上僅用了7.2s，并且水溫達77.6℃，如用電熱效率值來衡量，它已趨于99％，這些數(shù)據(jù)說明的內(nèi)容包括：①熱響應速度加快了；②電熱效率增加了，更具節(jié)能特征；③整支電熱管的體積比傳統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)品要小近40％的空間，所以大功率小體積在這類產(chǎn)品上有希望得到真正的體現(xiàn)。2、過載試驗：其目的是論證這類產(chǎn)品管內(nèi)從發(fā)熱絲的承載能力的變化到管的熱穩(wěn)定性檢驗。在介紹之前先交待電熱管在制造時的有關(guān)材料與參數(shù)：發(fā)熱絲采用國產(chǎn)絲徑為0.5mm的0Cr25Al5材料，填充材料采用鎂管加普通中溫型電熔改性鎂砂，其密度為3g/cm3?左右；實驗檢測的方式是：采用調(diào)壓器不斷改變對電熱管的輸入功率，在此過程中分別檢測漏電流的變化量，并且從中分析出目前發(fā)熱絲材料在這種結(jié)構(gòu)特征下真正具有的承載能力與傳統(tǒng)產(chǎn)品進行對比，過載的分檔原則是每次增量為額定值的15％（這種設(shè)置的目的是為了防止電網(wǎng)電壓在峰值波動時引起的過載，另方面與歐標用電環(huán)境有近似參閱性），值為額定值的60％，所以全過程分四個步驟進行，由于相關(guān)試驗參數(shù)相當繁瑣，現(xiàn)將結(jié)論告知如下：熱態(tài)穩(wěn)定性是十分理想的，全過程沒有發(fā)生任何熱擊穿現(xiàn)象(1500V/0.5mA)，發(fā)熱絲的承載能力是可以達到目前設(shè)計參數(shù)的150％，而且熱慣性的時間也僅有3.3s(150％額定負載斷電后管表氣泡消失的時間)；綜合上述內(nèi)容，我們可以給予充分的信心：利用現(xiàn)有的材料條件完全可以設(shè)計出新一代浸水式電熱管的可能性已具備了理論上可行性。類似產(chǎn)品的原理特征已在相關(guān)產(chǎn)品上得到了認證，對它的普及應用時間也已為時不遠了。 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