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热积聚对电热元件性能的影响以及新品开发的方向探索

作者: 来源: 日期:2019/6/18 17:54:32 人气:404

热积聚对电热元件性能的影响以及新品开发的方向探索                                       

盛建寅

导读:

1.对电热管中如何产生热积聚现象从原理上剖析,从中了解电热管由于热积聚导致热态安全性能的下降以及寿命或电热效率都较低的事实,从中寻找合适的方式来弥补。

2.从十五年前行业创导电热元件朝着大功率小体积的方向发展,而行业近年来在创新项目上几乎停滞不前,原因是对目前技术存在问题没有原理上的认识,也就谈不上创新的立足点,从节能的需求来解决热积聚的问题从而诱导出新产品的研究思路与开发的重点。

3.新品开发的相关理论已经实践取得了空前的成功,但相关原理与结构特征已经取得相关的知识产权,警告不要轻易模仿以避免侵权。

4.在全文介绍相关内容过程中,我们全部省略其公式演算过程和产品的结构图示,其原因就是不在侵权范畴内介绍新的技术特征,对此敬请谅解。

电热管的技术状况在近五年多时间内只是现有技术的普及与小改小革,并没有重大实质性的提高与发现,因此就目前行业整体来说处于创新产品的断层期,并且有关在电热技术行业所长久存在的缺陷也一直未能突破,造成了对应用行业发展的阻碍。例如:我们要实现大功率小体积的电热元件,但急需具有超导热而又有很好的电气绝缘性的填充材料是无法在短期内提供市场所需的,因此其计划也就无法实现;而且事实上目前就电热管的结构与应用也有很多不尽人意的缺陷。例如:电热管的电热效率只能凭供应商所提供镁粉品质好坏来决定(氧化镁纯正度是较难自检的);填充材料的热稳定性又限制着高负荷产品的进一步体积优化设计方案等等情况,所以有必要对目前电热技术所存在的死区内容作全面定性的研究,从原理性的突破再寻求结构性的突破,这样整体水平才会自然提高,否则只有等待到材料行业的突破再引入则为时已晚,本文的中心一是剖析问题,二是解决问题的思路探索,由于忙于项目的开发与试验等工程问题,所以在总结完善其理论方面还没有系统归纳,文章所提出的论点或论据如存在原则性的缺点或错误敬请同行批评指正。

一、热积聚现象特征及产生的主要因素

在电热管的结构中填充材料是起导热作用的,而且它必须具备相应的电气安全性,并且其特征又必须要有对应的热稳定性,用行业专业语言表达就是耐高温低泄漏而且要防潮,就针对目前填充材料的特性来分析,在以电熔改性镁粉作为行业主导使用材料中,它具有较为经济实用的事实是存在的,但这种材料本身具有的导热能力并没有太大的优势,也就是说,它的热阻特性依然存在,其纯度和密度即使是理想状态时它们对热的传导能力还是有一定的局限性,通俗说就是材料热阻特征的存在无法起到充分的导热,况且从发热丝表面到管壳内表面为保证一定的电气安全强度,它必须有一定的距离存在,所以此时的热阻总值又是与爬电距离成正比关系,要实现热传路径零热阻这种特征是目前材料业几乎不可能解决的现实。发热管工作过程中发热丝是电能转换成热能的主要部件,而它所产生的热量从理论上讲可以认为是一具有连续函数特性的,如果因为填充材料的导热能力小于发热丝产生的热量,则在管内或者说在填充材料中必然要有热的剩余,这种现象的时间性积累就是我们所定义的热积聚;

对上面所介绍的内容我们可以总概为热积聚现象产生的结论是:热传路径上由于传热材料传热能力不足而造成热的剩余,就是热积聚,所以材料热阻特征决定了热积聚程度的大小(利用以上的结论与条件对应的数学模型不仿自行尝试建立起来)。

二、电热元件热积聚现象对电热元件性能影响的综合评估

过去我们在有关文章中曾介绍过有关电热管的热惯性特征,表述的含义与热积聚现象类同,在理论结构上没有上述的专业系统化,但这种现象对电热管的性能却有四大致命的影响,现归纳描述如下:

1、对寿命的影响:众所周知发热丝所处环境温度愈高,它在线工作状态有二大特征即一是CT系数明显增加,二是发热丝对高温环境的热腐蚀抵抗能力直接决定了它的使用寿命;由于热积聚现象的存在,管内环境温度一定远高于吸热介质的温度,而填充材料热态时的PH值已显示出对发热丝具有强大的腐蚀力的特征也已表露无疑,所以热腐蚀对电热丝或电热管的寿命决定性的结论具有充分的理论支持和实验数据来支持,对此结论内容是我们公开发表。

2、电热效率的下降:填充材料与其它材料热阻特征基本类似,即它在不同温度状态下的热阻值是不同的,即说明材料热阻值具有非常数特征的一致性是类同的,而且这种热阻值所具有的正温性,说明了填充材料温度愈高所呈现的热阻值也愈大,所以在温度愈高的环境中热积聚现象就愈严重,其填充材料的热传导能力或电热效率也就愈低的理论与实际检测的结论也就完全对应一致了。

3、防潮防湿能力的下降:电热管的防潮能力是由封口材料和填充材料中防潮剂材料来决定的,而防潮剂目前无论所采用的是甲基硅油或二甲基硅油甚至含氢硅油,它们的耐温性虽然有所区别,但需要达到600℃以上高温的忍耐力从目前技术特征分析还不具备这种要求,所以有相当多的电热管经使用不长时间后出现电热管的防潮能力有下降或失效的现象也就不足为奇了,原因已十分清楚,即此时的硅油已部分或全部被热积聚所产生的管内高温所碳化。这就是最终的结论。

4、 热惯性现象对控制的影响:对热惯性的描述分启动与关闭二种不同特征现象区分介绍,电热管如管内不存在热阻性,则它在启动时管表温度应很快达到发热丝表的温度,而事实上丝表温度是管表永远无法达到的,而且要达到管内填充材料的平衡温度也需相当的时间,用电工学的专业术语表述即这种响应是一种滞后的现象;而断电后电热管表的余热仍会存在相当长的时间来释放,如果定性实检时,电热管处于液体中,断电后电热管内的热积聚能量还会使液体温度继续升高。上述的这些特征一是进一步说明管内有热积聚的现象事实存在,另一方面告知这种热积聚特征要对它有事先防范意识,例后面所说余温会使液体温度进一步升高的特例,在即热式电热水器中就有这种现象时有烫伤的事故发生,而电气控制对这种特征几乎无法实现同步控制,敬请特别注意。

三、规避措施

我们对这种现象分析的同时,寻找对应解决的方案是同行所关切的内容,在导入主题前我们首先对现有产品如何改良进行引导,期望短期内品质有较大的提高,在此我们对下述内容申明其作用是对热积聚现象的改良而非根除,因为我们无法提供超导热的材料应用于电热管的制造,只能从工程的角度来尽量减少这种特征的危害程度。

1、密度法:单位体积中参与导热材料的多少决定了整体的导热能力,这已是普通的理论基础,为减少因导热能力不足而产生的热积聚现象,电热管中填充材料的密度值是关注的重点,就目前的填充材料与机械的功能来分析,其密度的基本保证量在3.05~3.10g/cm之间,而部分企业的工艺工装水平由于缺乏相应的理论认识,远低于此水准,所以其产品的综合性能远不能达到应有的指标。这只是总体的评价,而作为电热管的应用,在设计过程中不可避免需要有不同程度弯曲成形,对具有R结构的产品中由于管壁不同程度的延伸,其管内的填率密度必定会下降,在这种情况下,工程的应对办法就是采用对这些部位进行面积压缩的整形处理,以恢复达到设计值。有关详细内容请参阅《电热技术与工程实践》有关章节。

2、纯度法:镁砂作为主要的填充材料,在它的成份中有氧化镁、氧化钙、三氧化二铝、二氧化硅和三氧化二铁的五大主要成份,这些不同成份材料的导热性能从其导热系数的大小可以判断出中间三种成份的导热系数要小于氧化镁,而三氧化二铁由于电气性不适合安全性的基本要求而列入危害性杂质外,如何采用高纯度氧化镁材料作为填充物是减小热积聚的又一个成本难题,但作为以安全和节能为主要因素考虑其可选性还是应当重视的。

3、控制功率密度的设计:功率密度的大小对于导热能力已经确定的环境条件下是由热积聚大小的决定因素,所以在与成品配套设计的电热管在面积设计负荷这个关键指标的确定前,首先要做出对应的物理模型进行量化分析,从热传导的角度去进行定性的计算从中确定合理与否,而不是经盲目的打样试验来寻找是否可靠的依据,当然,对管表负荷具体值的确定方法还要取决于元件所处的工作环境因素以及管材性质和场合所需。

4、爬电距离的严格控制:热传路径的长短直接决定了热传过程中的热阻大小,由此决定了热积聚量的大小,但应该说在如何选择爬电距离的问题上许多企业存在理念上的差异,因为太小的爬电距离虽然解决了热积聚的问题(当然热效率等问题也同步得到改善),但它的不良品率也会随之增加,如果要达到期望的品质效果,则选择局部牺牲也是值得的,而对重表面合格率的做法事实上会存在较大的隐患和风险,是不可取的。

从上面的内容我们介绍了有关热积聚的产生和相应的工程补救方式,要做到上述内容对工程技术人员来说尤其是从事于设计和工艺方面的应该不存在任何难点,而即使是照本宣科,其产品也只属于局部的改进,而且是有限度的,因为你无法改变热的传导方式,也无法改变材料的特征,但经过上面的全面分析我们已知道了问题产生的原因,因此我们有了相对应的办法,现从热传路径来再次深化讨论。

四、从热传路径再分析热积聚的根源

在目前的电热管结构上,我们可以将电热管的热传导过程近似看作以螺旋发热圈为质点的同心圆热散发场,理论上质点的单位趋于无穷小,而我们为什么将螺旋发热圈作为质点呢?这就是描述问题的立足点所在。

首先我们对任一支已经使用过的电热管进行纵向剖析,可以直视到内部尤其在芯部的填充材料有灰色的特征,而这种灰的程度由类似管表负荷使用时间长短等因素决定,先暂不对此展开,现重点描述热散发场的有关物理现象;

1、单向或单维导热场的模型:当发热丝绕制成螺旋状以后,芯棒区域内所在的空间在工作状态是没有参与任何热传导的,而且在其区间内会形成一个高温特性的恒温场,由于其填充材料的热阻特征,所以它只有贮存热量的作用,参与热传导的真正质点是丝表靠近管表部分的近半面积部分,而它的理论支持点是:热量永远是朝着低能量的方向扩散的。从中我们可以清楚知道:螺旋发热丝的外侧面才是电热管的有效热传导散热区,而芯部是电热管的高温死区,只有当死区内的温度高于圈外温度时,它才会有热的溢出,这种热传导方式从理论上讲它属于平面的或单向性的,而将整个发热圈作为质点化的理由是其内部温度几乎与丝表外侧温度类同,因此其假设论点具有量化指标上的可信度(除非丝间距有足够大的状态时这种描述就有缺陷存在)。

2、芯部工作状态特征的概述:发热丝芯部是整支电热管的高温区这一事实是大家可以认识的,但它也是整支电热管热积聚现象最严重的区域,没有热散发的空间只有热量的积累,无论是防潮材料还是镁砂中类似于低熔点的如二氧化硅等热不稳定材料,在此区域内首先被碳化的过程也就不需要再多加解释,现要说明的是:芯部填充材料热积聚在量值上与其相关的因素必须解释清楚:①丝与丝之间的间距愈小,其积聚量就愈多(丝间距愈小则相当于形成了一个闭环区域);②芯部填充物密度愈低其芯部升温速度愈快(温度成像仪可证实),而且丝的载流能力也愈低,从芯部空松镁粉的电热管极易烧断的事实可以证实其论证它的一致性;③丝表内外侧的热腐蚀程度在显微镜下的特征已充分说明了所推论的正确性。

在经过上述一系列的表述之后,我们发现了一个新的认识,即现在对丝表负荷的概念只是一个数学平均值,而实际上丝表负荷存在表面积不同的承受力。管内有热积聚的现象存在已经被证实的同时,我们也同时发现了芯部存在热量传导的死区,并且电热管是一种单向导热特征的元件,所以我们就以此为突破点,即采用双向导热的概念引入新品开发的思路(以前所发表有关的表面扩展型和散热片结构之产品虽有一定的功用但不属原理性突破的范畴)。

对所有分析内容我们给予一个定论,即产生热积聚现象是由于填充材料的导热能力不足所产生的,这是目前结构和材料特征所决定的。

五、双向导热电热元件结构特征概述

如果说单向导热的电热管是实芯体的话,它芯部的热量是无法参与导热(或者说发热丝实际上是单边或表面积的热散发),所以我们研发出一种将发热丝芯部热量可以诱导并参与热交换的电热管,简称双向导热电热管,其特征就是一支空芯电热管,其用途是在即热式电热水器或有循环冷却装置的电加热器具中,如即热即开式开水机、蒸汽发生器和类似于咖啡壶机电加热管;在结构上与传统产品不同的就是“空芯”,并且芯部直接参与热传导,如果说它在原理上已解决了单向导热的缺陷,还不如从它的性能上的表现再进行评估,请从如下试验数据进行分析:

1、管的设计负荷是3300W/220V,单面的管表负荷分别是23W/cm2和34W/cm,工作于供水压力在0.03MPa的环境下,芯部为进水处,而它的出水仍由电热外管循环加热,流量为0.8L/min,原始水温为18.7℃,从通电瞬间至输出温度恒定不变,在时间上仅用了7.2s,并且水温达77.6℃,如用电热效率值来衡量,它已趋于99%,这些数据说明的内容包括:①热响应速度加快了;②电热效率增加了,更具节能特征;③整支电热管的体积比传统设计的产品要小近40%的空间,所以大功率小体积在这类产品上有希望得到真正的体现。

2、过载试验:其目的是论证这类产品管内从发热丝的承载能力的变化到管的热稳定性检验。在介绍之前先交待电热管在制造时的有关材料与参数:发热丝采用国产丝径为0.5mm的0Cr25Al5材料,填充材料采用镁管加普通中温型电熔改性镁砂,其密度为3g/cm左右;实验检测的方式是:采用调压器不断改变对电热管的输入功率,在此过程中分别检测漏电流的变化量,并且从中分析出目前发热丝材料在这种结构特征下真正具有的承载能力与传统产品进行对比,过载的分档原则是每次增量为额定值的15%(这种设置的目的是为了防止电网电压在峰值波动时引起的过载,另方面与欧标用电环境有近似参阅性),值为额定值的60%,所以全过程分四个步骤进行,由于相关试验参数相当繁琐,现将结论告知如下:热态稳定性是十分理想的,全过程没有发生任何热击穿现象(1500V/0.5mA),发热丝的承载能力是可以达到目前设计参数的150%,而且热惯性的时间也仅有3.3s(150%额定负载断电后管表气泡消失的时间);综合上述内容,我们可以给予充分的信心:利用现有的材料条件完全可以设计出新一代浸水式电热管的可能性已具备了理论上可行性。类似产品的原理特征已在相关产品上得到了认证,对它的普及应用时间也已为时不远了。


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