第六章家用电热器

1石英砂填充金属（石英）管电热丝第六章家用电热器具2011、10主要内容：家用电热器具分类电热元件温控元件及原理温控方式电热器具电路实例电磁炉工作原理微波炉工作原理一、分类（一）按加热方式分：电热器具的类型，按照电热转换方式来区分，电热器具有电阻式、红外式、感应式及微波式等几大类。1、电阻式电热器具由焦耳一楞次定律可知，电流通过具有一定电阻的导体时，导体就会发热。利用电阻发热原理制成的电热器具就称为电阻式电热器具，例如电饭锅、电热毯、电熨斗、电炉、空间加热器、电热灶、电烤箱等。2、红外式电热器具红外式电热器具通过加热某些红外线辐射物质，利用这些物质辐射出的红外线来加热物体。这类电热器具的特点是热效率高。常见的红外式电热器具有红外式取暖炉、电烤箱等。3、感应式电热器具若将导体置于交变磁场中，其内部将产生感应电流（涡流），涡流在导体内部克服内阻流动而产生热量。利用涡流产生热量的电热器具称为感应式电热器具。这种电热器具比较安全，且热效率高，其典型产品为电磁灶。4、微波式电热器具含水物体、食物中的水、油脂、糖及蛋白质等极性分子在微波的作用下，互相摩擦而生热。有卫生无污染、效率高、保持食物营养等优点。也可分为：1、有电热元件电炉、电饭锅、电烤箱、电烙铁、热得快、电熨斗——传统加热方式。2、无电热元件电磁炉、微波炉。（二）按加热原理分：1、电流热效应：Q=I2RT电炉、电磁炉。2、物体自身发热：微波炉（微波作用）。有电热元件为传统加热方式：结构简单、价廉、热效率不高。（三）按有无控制分：1、有控制装置：较安全、可控温，有安全断电装置。2、无控制装置：如“热得快”，不安全，易干烧出事故。二、电热元件原理：电流通过电阻产生热效应。左图Q=I2RtQ=Pt=I2Rt单位：焦耳、千瓦时电热管21、电阻式电热元件，合金电热材料，铁铬铝、铭镍。硅碳棒、硅钼棒铭镍丝性能牌号Cr20Ni80Cr15Ni60Cr20Ni35元件最高使用温度℃120011501100熔点℃140013901390电阻率μΩ·m，20℃1.09±0.051.11±0.051.04±0.05比热J/g.℃0.4400.4940.500导热系数KJ/m.h℃60.345.243.8线胀系数a×10-6/℃（20～1000℃）18.017.019.0显微组织奥氏体奥氏体奥氏体磁性非磁性非磁性非磁性结构形式：（1）开启式—普通电炉，直接露于空气、不够安全。（2）云母片式—电熨斗，电阻丝绕在云母片上。（3）电热管式—电阻（热）丝置于金属管内，内充石英砂等，较安全。2、远红外电热元件电阻通电发热→激发红外线辐射。穿透力强，节能，升温快。石英电热管是采用乳白石英玻璃管，在管内装进带有支架的螺旋状电热丝为发热元件。其优点如下（1）电气性能稳定，电热功率稳定，升温快，电热转换率高达70%。（2）热效率高、加热不氧化、使用寿命可达3000小时以上，安全可靠。（3）工作时发出的光以可见光和近红外光为主，84%以上集中在0.75μm～3.5μm区域。3、PTC电热元件PTC电热元件兼恒温控制。1950年荷兰PHLIPS公司的海曼等人,在BaTiO3材料中掺入稀土元素做半导化实验时,发现这种半导体材料的电阻率具有很高的正温度系数,存在很强的PTC效应。具体应用有自动消磁用PTC热敏电阻，延时启动用PTC热敏电阻，恒温加热用PTC热敏电阻，过载保护用PTC热敏电阻，过热保护用PTC热敏电阻，传感器用PTC热敏电阻。三、温控元件及原理1、双金属片式温控元件双金属片是由二种或多种具有合适性能的金属或其它材料所组成的一种复合材料。两种膨胀系数α不同的金属轧制在一起。常温下是平直的。高温后α大的伸长多；α小的伸长少。温度越高，弯曲越大。温降后会恢复原状。如低膨胀材料镍合金α=1.1～7.0ⅹ10-6/OC,高膨胀材料如铜70、锌30α=18ⅹ10-6/OC。3右图为电熨斗温控电路。电熨斗工作时，动、静触点接触，电热组件通电发热。当温度达到选定温度时，双金属片受热下弯，使动触点离开静触点，自动切断电源；当温度低于选定温度时，双金属片复原，两触点闭合。再接通电路，通电后温度又上升，达到选定温度时又再断开，如此反复通断，就能使熨斗的温度保持在一定范围内。通过调节螺丝选定温度的高低，越往下旋，静触点越下移，选定的温度就越高。2、磁钢限温器利用磁性材料在层里点温度之上时失磁的原理制成。例：电饭锅煮饭开关。硬磁材料的居里点很高（450°，铁769O，镍358O）。感温磁钢为软磁材料（成分NiO.ZnO.FeO）居里点低（103±2℃）。当锅底温度底于居里点（103℃），软、硬磁相吸，触点接通，电热丝通电，加热。当锅底温度升高到居里点以上，软磁体失磁，硬磁在重力作用下推动拉杆。使触点分开，断开电源，停止加热。与双金属片不同，磁钢限温器开关不会自动复位。要复位需按“开关按键”。19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点”。3、PTC温控器：PTC—正向温度系数热敏电阻。温度越高，电阻越大。钛酸钡加微量镧族元素烧结而成。成份不同，性能不同，适应不同要求。称“陶瓷半导体”。（1）恒温型：发热元件兼温控元件。通电→发热→升温→R↑→I↓→降温→R↓→I↑……，使温度恒定在一定值。应用：电蚊香。（2）开关型：常温25℃下电阻20，高温230℃电阻5MΩ。通电瞬间R很小，相当于开关接通，电路通，I很大，急剧发热，温度剧升；R↑↑，使I↓↓至近于零。相当于开关断开。应用：单相电动机启动、彩电消磁。4、压力式温控器：螺杆调节控制点温度，动静触点接通，温度上升，感温包内液体膨胀，膜盒向上顶起，杠杆动作，动静触点分开。保持一定温度t温度双金属片式温控曲线保持一定温度时间温度工作点电阻率T1TT2温度PTC温控曲线4四、温控方式1、开关式：双金属片，磁性开关、开关型PTC、全通全断、断续控制；2、连续控制：始终通电。晶闸管，电路同电子调光电路，电流波形畸变，有电磁干扰；正向PTC，加热兼温控，无电磁干扰；3、二极管式：电路中串入一只二极管。功率降为一半，如电烙铁控制；4、调功式：调节正弦波的个数。如每10个波减去5个，功率降为一半，降去8个、降为20%。无电磁干扰。如下图，每2个波减去1个，功率降为一半。五、电热器具电路实例1—电饭锅电路1—电热丝EH2—指示灯3—电阻K1—煮饭开关（磁钢开关）K2—双金属片开关煮饭时，按下煮饭开关K1，电热器EH通电加热。饭煮熟时。锅底温度达103℃，软磁体失磁，磁钢开关K1断开，电热器断电。温度下降，降至65℃左右，双金属片K2触点接通（65℃以上断开），电热器重新加热，温度上升，至70℃时又断开，电饭锅内温度恒定在65～70℃。进入保温状态。若磁钢开关失控，温度持续上升，超温熔断器6熔断。保障安全。电热器具电路实例2—电子泡茶壶六、电磁炉电磁炉自发明已有百年历史，具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点。iiiiii保留保留保留除去除去除去6温控开关S3220V选择开关S2电热管R保温绿LED压敏开关S1手控自控OFF电源红LED加热黄LED毛细管感温包杠杆膜盒动触点螺杆静触点弹簧片时间通电升温断电降温断电降温通电升温通电升温温度双金属片温控方式时间t↑R↑温度PTC温控方式t↑R↑t↓R↓t↑R↑t↓R↓5（一）原理与传统电热器不同，无加热元件。利用电磁感应原理，交变磁场作用于金属体，在金属体内产生感应电流—涡流，涡流产生的热效应。本质上还是电流的热效应。优点（1）清洁卫生，无污染。（2）安全可靠，无明火。（3）热效率80—90%，一般电热器50～70%，3分钟可烧开一壶两升的水。（4）控温简便（5）小型轻巧。缺点（1）无明火，烧制食物较乏香味。（2）对锅的材料有要求，铁、不锈钢。铝锅不行，砂锅更不行。（3）锅底为平底形状。不能用现成炊具。现已有可用圆底锅的。（二）结构：1、加热部分：阁板（耐热材料—陶瓷微晶玻璃，能抵抗600摄氏度高温下的冷冲击），下置感应线圈，通交变电流，磁力线穿过阁板在锅底产生交变磁力线，交变磁力线产生涡流，涡流产生热效应。为什么用铁锅？磁性物质能集中磁力线，产生的涡流大、效率高，非磁性材料（铝、铜）不集中磁力线，涡流小。2、电气控制部分（1）整流、滤波，交流变直流；（2）开关电路，晶体管功率元件T作为电子开关。周期性通、断，在感应线圈L上产生交变电流。D为续流二极管，为感应线圈L提供反向电流通路。控制信号加到T的基极上，对功率元件要求很高，常用IGBT功率元件；（3）启动振荡电路，产生振荡信号，三角波；同步电路使驱动信号频率与线圈、C2的谐振频率一致；（4）触发电路，振荡信号变为开关信号；（6）输出调节，控制输出功率的大小。用PWM控制方式，占空比越大，驱动电压高电平时间越长，线圈电流越大，功率越大，反之越小（5）检测保护电路(a)当非铁锅的小物体如小刀、汤匙，长度≤8～10cm，检出后，停机并报警(b)铁锅离开台面，电流减小停机并报警(c)非铁金属锅，电流减小停机并报警（d）过欠电压保护（250V，160V）（e）过电流保护（f）功率管、锅底（﹥220℃）、电风扇温度检测，过热关机报警6电磁炉产生的电磁场有害吗？当锅具放在电磁炉上“工作”时，电磁炉所产生的闭合磁场强度在电磁炉边缘的最高强度为160毫高斯，而使用手机时所产生的信号磁场接近1600毫高斯，是电磁炉炉面边缘磁场的10倍，由此可见，电磁炉所产生的磁场对人体影响远不如手机。当锅具垂直离开电磁炉面板3-5cm时，锅具超出了闭合磁场范围不会再生热，同时电磁炉自动停止工作；闭合磁场范围之外的水平磁场非常微弱，大约占整个磁场能量的百分之零点零几，甚至基本接近于地球的磁场。七、微波炉最早发现微波加热现象的斯宾瑟是美国军方的一位工程师。他在一个试验室参观磁控电子管的一个试验时，发现口袋中的糖果融化了。他决定试验一下是不是磁控电子管产生的微波的效应。于是他就拿一袋爆米花靠近磁控电子管，发现爆米花爆开了。第二天他又拿了个鸡蛋进行试验，发现鸡蛋也被加热。于是，他就把它发现的加热食品的新方法进行改进，这就是人们所说的微波炉。今天的微波炉，比起斯宾瑟刚发明时，可谓花样百出，但千变万变，里面的磁控电子管不变，它还是微波炉的主要器件。（一）加热原理1．微波：频率f=300MHz—300000MHz，λ=1mm—1m之间。家用微波炉f=2450MHz加热原理不同于传统电热器具，无锅，对食物直接加热。2．微波对物体的作用（1）非金属绝缘物，玻璃、陶瓷、纸张等，透射；（2）金属，反射；（3）含水物体如食品，吸收转化为热，使食物中的水、油脂、糖及蛋白质等极性分子互相摩擦的时候而生热。3．优点（1）无电热元件，直接加热（其他电热器为间接），省时1/3—3/5，节电50～70%，如煮热1公斤猪肉用一般加热方法用15分钟，用微波炉为9分钟；（2）保持食物的原有色、香、味、形、营养；（3）无污染、卫生；（4）可快速解冻（从内部发热）T—功率晶体管，起开关作用。在加热线圈L中产生交变电流、交变磁场，产生涡流D—二极管，吸收L产生的感应电动势（高压），保护晶体管T驱动信号波形占空比低，低火占空比高，高火LTD电子开关C+—7此外，可准确控制加热功率，微波输出功率可按需调节。烹饪时间可用定时器来进行瞬时确定，从数秒到数十分钟自由设定。可加热烹饪任何形状的食物，从固体到液体。微波可进入和分散于任何形状的食物中。4．缺点（1）无明火，不能炒、烤（有的附加烧烤加热器）；（2）不能烧煮较厚（50～80㎜）的食物(3)加热常不太均匀。（4）食物变干燥。（二）结构1、磁控管：磁控管振荡管，产生微波。管内有一圆筒形阴极。外有阳极。磁钢在阴阳极，之间产生轴向磁场。支流高压加到阴（-）阳（+）极上，电子从阴极飞向阳极，由于磁场的作用，电子沿螺旋轨迹运动。阳极上有一个个小小的振腔，当电子达到阳极附近时