现代实用电器第4章-电热器具

第四章电热器具家用电热器具的类型及基本结构电热水器的结构、工作原理电饭锅的结构、工作原理高频电磁灶的结构、工作原理微波炉的结构、工作原理讲解内容4.1家用电热器具的基础知识电热器具是将电能转换为热能的器具4.1.1家用电热器具的类型1.按电加热方式的原理分类电阻加热、远红外线加热、电磁感应加热和微波加热。2.按用途分类家用电热器具按用途来分类有以下各种：1)电炊具:如电饭锅、电烤箱、电磁灶、微波炉、电热饮水机等;2)取暖用具:如电暖气、电热毯等；3)卫生洁具类及其它:如电热水器(电淋浴器)、家用消毒器、洗碗机、电熨斗、电烙铁等。4.1.2家用电热器具的基本结构1.发热部件主要功能是将电能转换为热能。常见的电热元件有电热丝、电阻发热体、红外线灯、管状红外线辐射元件、PTC电热元件等。2.温控部件主要功能是控制发热部件的发热程度，使电热器具所发出的热量符合要求。常用的温控部件有双金属式恒温控制器和磁控式温度调节器。近年来PTC温控部件、电子温控以及微电脑温控部件逐渐被广泛采用。3.安全装置安全装置(温度保险器)的功能是当电热器具发热温度超过正常范围时，自动切断电源，防止器具过热，确保安全。常用的安全装置有温度熔丝等。4.1.3电热元件电热器具中能将电能转换成热能的部件1.电阻式电热元件（1）电阻式电热元件常用材料1)电热材料。电阻式电热元件是靠电热元件中电阻系数大的电热材料在通过电流时发热工作的。在家用电热器具中电阻式电热元件的材料一般采用合金电热材料，如铁铬铝、铬镍等。2)绝缘材料。绝缘材料即不导电的材料，又称电介质。如云母、玻璃、瓷器等。3)绝热材料。为了提高电热元件的热效率，在电热器具中往往还要采用适当的绝热材料，同时起到减少电热元件烫伤人体及防止火灾的作用。常用的绝热材料有软木、毛毡、石棉、硅藻土和泡沫塑料等。（2）常用的几种电阻式电热元件1）开启式螺旋形电热元件。这种电热元件是将合金电热丝绕制成螺旋状，直接裸露在空气中。它在电吹风和家用开启式电炉中广泛应用。螺旋式电热元件绕制尺寸如图4-1所示，为避免电热丝变形、断裂，增加使用寿命，D、d、h符合如下要求：当d≤1.0mm时，选D=（3～5）d，h=（2～4）d；当d＞1.0mm时，选D（5～7）d，h=（2～4）d。图4-12）云母片式电热元件。将合金电热丝缠绕在云母片上，在外面覆盖一层云母作绝缘，主要应用在电熨斗等电热器具中,如图4-2所示。电热丝图4-23）金属管状电热元件。金属管状电热元件是电热器具中最常用的封闭式电热元件，主要由电热丝、金属护套管、绝缘填充料、封口材料和引出棒等组成，如图4-3所示。图4-34）电热板。电热板的形状有圆形、方形等，主要采用铸板式和管状元件铸板式两种结构形式，一般应用于电饭锅等电热产品中。5）绳状电热元件。在一根用玻璃纤维或石棉线制作的芯线上，缠绕柔软的电热丝（铜、镍合金等），再套一层耐热尼龙编织层，在编织层上涂敷耐热聚乙烯树脂。主要用于电热毯、电热衣等柔性电热织物中，典型结构如图4-4所示。图4-42.红外线电热元件远红外线加热的热源是红外电热元件发出的波长为2.5～15μm的远红外线。其基本原理是：先使电阻发热元件通电发热，靠此热能来激发红外线辐射物质，使其辐射出红外线对物体加热。它具有升温迅速，穿透能力强，节省能源和加热时间的特点。在电取暖器、电烤箱和消毒柜等家电产品中广泛应用。远红外线电热元件有管状、板状和红外线灯等多种，在家电产品中最常见的是管状远红外电热元件。管状远红外电热元件为乳白色透明石英材料制成（简称石英辐射管），内壁每1cm2就有2000～8000个直径为0.03～0.05mm的小气泡。可产生出较强的远红外辐射。在石英管内装置螺旋合金制成的电热丝，引出端的两端用耐热绝缘材料密封，以隔绝外界空气，防止电热丝氧化。其结构如图4-5a所示。图4-5远红外电热元件板状远红外元件是在碳化硅或金属板表面涂敷一层远红外辐射物质，中间装上合金电热丝制成的。红外线灯属热辐射光源，分为透明的石英近红外线灯和半透明的石英远红外线灯。红外线灯的结构和普通照明用的白炽灯大致相同，二者的区别是前者既可发出红外线，又可发出可见光，而后者发出的是可见光，红外线灯的结构见图4-5b所示，从图中可以看出管形红外线灯是普通玻璃灯管上再罩以石英管，因而热膨胀系数小，遇水不易破裂。图4-5远红外电热元件3.PTC电热元件PTC器件是一种正温度系数的热敏电阻。在家用电器中，是一种应用广泛的电热元件或控温元件。PTC元件的恒温原理:它有着十分重要的电阻温度特性：PTC当温度低于居里点时，为阻值可以小到十几欧姆小的电阻，但当温度高于居里点时，阻值随温度升高而急剧增大，可达103～105倍，这时x相当于开路状态。“居里点”温度值，由材料的配合比例与生产工艺决定。常见产品的居里点从几十度到几百度都有。4.1.4温控器件在家用电器中，往往需要对电热器具发热功率、加热温度或通电工作时间进行控制、调节和显示，承担控制调节功能的元件称为温控器件。按其控制的目的可分为温度控制、功率控制和时间控制三种类型。1.温度控制器件在家用电热器具中，常用的温度控制器件有双金属片式温控器、磁性温控器、热电偶以及电子温控器等。1）双金属片式温控器件。双金属片由热膨胀系数不同的两种金属薄片轧制结合而成，其中一片热膨胀系数大，另一片热膨胀系数小。在常温下，两片金属片保持平直，当温度上升时，热膨胀系数大的一片伸长较多，使金属片向膨胀系数小的那一面弯曲，温度越高，弯曲越厉害。当温度下降时，热金属片收缩恢复到原状。利用双金属片受热后弯曲变形的运动，带动电触点的闭合或断开，使电源接通或关断。双金属片式温控器示意图如图4-7所示。图4-7双金属片式温控器2）磁性温控元件。磁性温控元件主要由永久磁钢和感温软磁组成，如图4-8所示。在位置固定的感温软磁下有一个永久磁钢，永久磁钢的下面有一弹簧以一定的拉力向下拉它。在常温下，永久磁钢和感温软磁之间的吸力大于弹簧拉力与永久磁钢的重力之和，因而当永久磁钢与软磁贴近，即软磁吸住永久磁钢，使得它们所带动的两个触点闭合，电热元件通电发热。一旦电热元件发热超过预定值，温度上升到感温软磁的居里点时，软磁的磁力急剧减小，使得弹簧拉力与永久磁钢的重力之和大于磁吸力，永久磁钢落下，两触点脱离，电热元件断电。3）热电偶。热电偶是一种能将温度转换成电势的传感器。它的工作原理是物体的热电效应。由两种不同材料的导体组成一个闭合回路,得到了两个结合面，称为两个结点。当两个结点的温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象称为热电效应。热电偶所产生的电动势称为“热电动势”。热电偶的两个结点中,置于温度为T的被测对象中的结点称为测量端,又称工作端或热端,而置于参考温度为T0的另一结点称为参比端，又称自由端或冷端。使用时，当热端温度大于冷端温度时，在电路中产生电动势即产生电信号，此电信号经放大后控制执行机构，达到调节和控制温度的目的,如图4-9所示。热电偶是一种特殊的温度控制元件，它工作时相当于电源，并且具有一定的带负载能力。因此，有足够大的温差时，它能驱动某些制造精密的电动部件。热电偶温控元件常用于较大型电热器具中，如储水量在100L以上的电热水器、大型电烤炉等产品中。2.功率控制器件1）开关换接控制。对装置数支电热元件的电热器具，在工作时利用开关的通断以及串并联等不同的组合，改变电热元件与电源的连接方法，从而得到不同大小的功率。2）二极管整流控制。二极管整流控制是利用转换开关将二极管接入电路中，利用二极管的整流作用，将单相正弦波电压变成脉动的单相半波电压。对纯电阻性负载，可使平均发热功率降低一半。3．时间控制器件时间控制器件俗称定时器。其作用是对电热元件的工作时间进行控制，从而达到控温的目的。分为机械式、电动式和电子式。1）机械式定时器。机械式定时器主要由发条，齿轮传动系统、机械开关组件及电触点等部分组成，机械开关组件由一个带凹槽的圆形转盘和一个有固定支点的杠杆组成。3）晶闸管调功控制。通过改变晶闸管的导通角，控制电路使电热元件得到不同的工作电压，从而使电热元件产生不同的功率。2）电动式定时器。电动式定时器主要由微型同步电机、减速机构、机械开关组件及电触点等部分组成,其工作原理与发条式定时器基本一致，只是用微型同步电机代替了发条机构作为动力源。3）电子式定时器。电子式定时器一般采用555集成电路构成，通过电容器充电或放电所用的时间来实现电路的定时，控制电位器可使定时时间在某一范围内连续可调,电子式定时器定时更为准确、方便。4.1.5温度保险器件温度保险器件的主要作用是当电热器件温度异常而超过极限值时，能立即切断电源，以确保安全，故又称它为安全装置。1.双金属式安全装置只要把双金属式温控器的温度调整在比正常使用温度更高的位置上，就可作为安全装置使用。当电热器具温度超过正常使用温度时，该双金属式温控器便会动作，切断电源，保证安全。双金属式温控器用作安全装置的主要优点是可重复使用。它分为自动复位和手动复位两种。2.温度熔丝温度熔丝也称热熔断器或温度保险丝，能提供可靠的过热保护，主要应用于各种电热器具和其它高电流负载的设备中。温度熔丝由铅、锡、铋等受热易熔化的合金制成。将它串联在电热器件电路中，当电热器件温度过高时，电源由于温度熔丝受热熔化而被切断。4.1.6漏电保护器漏电保护器的基本功能是当人体触电时，在电流强度和时间尚未达到伤害程度前而自动切断电源，保护人身或设备安全。1.工作原理图4-12是一种特别适合家庭使用的漏电保护器电原理图。该漏电保护器由脱扣电路、过载保护器装置和漏电触发电路三部分组成，其主要特点是具有过载和过流双重保护功能，工作电压范围宽，电流容量大，在极苛刻的条件下仍能准确可靠的动作。图4-12漏电保护器电原理图4.2电热水器电热水器分贮水式和速热式两种，但速热式的容易漏电。图4-134.2.1贮水式电热水器的基本结构贮水式电热水器主要由箱体系统、制热系统、控制系统和进出水系统组成。图4-14所示是常见的两种结构。图4-141.箱体系统1）外壳。外壳是电热水器的基本框架，一般为筒状或长方体状。2）内胆。内胆是盛水的容器，又是对水加热的场所。内胆的材料有镀锌板、不锈钢板和钢板内搪瓷等多种。3）镁阳极。贮水式电热水器中的镁阳极是一根金属棒，主要用来保护金属水箱不被腐蚀和阻止水垢的形成。镁阳极被长年累月的酸性水腐蚀，属消耗材料，一般每2年换1次。更换和储存镁阳极要注意安全，不要用明火焊接或点燃。4）保温层。外壳与内胆之间的保温层起减少热损失的作用，现多采用高密度聚氨酯发泡材料充填工艺。2.制热系统电热水器的电热元件多采用管状结构，根据内胆结构金属护套管弯成U形或其他形状，在通电后其内部合金丝发热，通过金属管内的绝缘填充料导热至金属套管，起加热作用。为提高热效率常将电热元件直接放在水中加热。电加热管使用时间一长，在电加热管表面容易结垢，不仅影响发热效果，而且会产生漏电现象。为此有些厂家将热水器的电热元件改为高压耐热的陶瓷发热器，如图4-15所示。为有效防止漏电，常采用间接加热法，这种方法间接加热内胆中的水（通电后，首先预热周围的空气，然后通过钢板对水加热），使水电分离，不仅无漏电之忧，且可快速加热。图4-15陶瓷加热器结构图3.控制系统1）温控器。贮水式电热水器均设有温控元件，这些元件除用于控制水温外，还兼有自动保温的功能。当水温升至预置温度时，它会自动切断电源，防止输出的热水温度过高而烫伤人的皮肤；当水温下降到某预定温度时，它又会自动接通电源，继续把水加热保温。2）漏电保护器。在电热水器的漏电保护器中，将15mA确定为危险电流，超过这一数值时漏电保护器动作，切断电源以保护人身安全，正常的动作范围为15～30mA。3)防干烧保护和超温保护4.进出水系统进出水系统由进、出水管、混合阀、安全阀和沐浴喷头等组成。1）混合阀。单独打开热水旋阀（红点），自来水经出水管、混合阀、喷头流出热水，出水压力由热水阀控制；单独打开冷水旋阀（蓝点），自来水直接经混合阀由喷头流出冷水，出水压力由冷水