[科普中国]-电加热器

电加热是将电能转换为热能的过程。自从发现电源通过导线可以发生热效应之后，世界上就许多发明家从事于各种电热电器的研究与制造。电热的发展及普及应用也与其它行业一样，遵循着这样一个规律：从先进的国家逐步推广到世界各国；从城市逐步发展到农村；由集体使用发展到家庭、再到个人；产品由低档发展到高档。十九世纪处于萌芽阶段的电热电器大都是拙劣的，最早出现是用于生活的电热电器，1893年电慰斗的雏型首在美国出现并使用，接着到1909年出现电灶的使用，那是在炉灶中放置电加热器，也就是说加热从柴禾转移到电气，即从电能转变为热能。但是真正电热电器工业的急速发展，却是在用作电热元件的镍铬合金的发明之后。1910年美国首先研制成功用镍铬合金电热丝制作的电熨斗，这就从根本上改善了电熨斗结构，使用熨斗迅速得到普及。到1925年在日本锅中安装电热元件的产品，成为现代电饭锅的原形。在这阶段工业上也出现实验室用电炉，熔胶炉、暖气器等电热产品。1910年至1925年是电热电器历史上的大发展阶段，在家庭和工业方面，电热电器各种品种的出现和普及应用都得到了急速的发展，而尤以家庭方面为甚。所以镍铬合金的发明是奠定了电热电器工业发展的基础。

二十年代以后在新的应用发展方面没有上一时期多，但是在这阶段内所有各种电热电器都曾重新设订而不断改良，成为电热电器历史上的提高阶段。在家用电热电器方面，各种器具都设计得更为美观、耐用和坚固，而且大部分都有自动温度和时控制。

⒈功率：W、Kw 1Kw=3.412BTU/hr 英热单位/小时=1.36（马力）=864Kcal/hr

⒉重量：kg ：1Kg=2.204621b（磅）

⒊流速：m/min

⒋流量：m3/min、kg/h

⒌比热：Kcal/(kg℃）： 1Kcal/(Kg℃）=1BTU/hr.°F=4186.8J/(Kg℃）

⒍功率密度：W/cm2： 1W/cm2=6.4516 W/in2

⒎压力：Mpa

⒏导热系数：W/(m℃）： 1 W/(m℃）=0.01J/(cm s℃）=0.578Btu/(ft.h.F)

⒐温度：℃： 1F=9/5℃+32 　1R=9/5℃+491.67 　1K=1℃+273.15

加热功率的计算有以下三个方面：

运行时的功率

起动时的功率

系统中的热损失

所有的计算应以最恶劣的情况考虑：

最低的环境温度

最短的运行周期

最高的运行温度

加热介质的最大重量（流动介质则为最大流量）

计算加热器功率的步骤：

根据工艺过程，画出加热的工艺流程图（不涉及材料形式及规格）。

计算工艺过程所需的热量。

计算系统起动时所需的热量及时间。

重画加热工艺流程图，考虑合适的安全系数，确定加热器的总功率。

决定发热元件的护套材料及功率密度。

决定加热器的形式尺寸及数量。

决定加热器的电源及控制系统。

根据《2013-2017年中国电加热器行业发展前景前瞻与转型升级分析报告》分析，电加热器的用途主要是一下5个方面：

一、热处理：各种金属的局部或整体淬火、退火、回火、透热；

二、热 成 型 ：整件锻打、局部锻打、热镦、热轧；

三、焊 接：各种金属制品钎焊、各种刀具刀片、锯片锯齿的焊接、钢管、铜管焊接、同种异种金属焊接；

四、金属熔炼：金、银、铜、铁、铝等金属的（真空）熔炼、铸造成型及蒸发镀膜；

五、高频加热机其它应用：半导体单晶生长、热配合、瓶口热封、牙膏皮热封、粉末涂装、金属植入塑料。

六、加热器是当今社会最流行的电加热设备，它不但有高品质，长寿命。它对于流动的液体。1

流体防爆电加热器是一种消耗电能转换为热能，来对需加热物料进行加热。在工作中低温流体介质通过管道在压力作用下进入其输入口，沿着电加热容器内部特定换热流道，运用流体热力学原理设计的路径，带走电热元件工作中所产生的高温热能量，使被加热介质温度升高，电加热器出口得到工艺要求的高温介质。电加热器内部控制系统依据输出口的温度传感器信号自动调节电加热器输出功率，使输出口的介质温度均匀；当发热元件超温时，发热元件的独立的过热保护装置立即切断加热电源，避免加热物料超温引起结焦、变质、碳化，严重时导致发热元件烧坏，有效延长电加热器使用寿命。

流体防爆电加热器典型的应用场合主要有：

⒈化工行业的化工物料升温加热、一定压力下一些粉末干燥、化工过程及喷射干燥。

⒉碳氢化合物加热，包括石油原油、重油、燃料油、导热油、滑油、石腊等

⒊工艺用水、过热蒸汽、熔盐、氮（空）气、水煤气类等等需升温加热的流体加温。

⒋由于采用先进的防爆结构，设备可广泛应用在化工、军工、石油、天然气、海上平台、船舶、矿区等需防爆场所。

⒈体积小、功率大：加热器主要采用集束式管状电热元件

⒉热响应快、控温精度高，综合热效率高。

⒊加热温度高：加热器设计最高工作温度可达850℃。

⒋介质出口温度均匀，控温精度高。

⒌应用范围广、适应性强：该加热器可适用于防爆或普通场合，防爆等级可达dⅡB级和C级，耐压可达20MPa。

⒍寿命长、可靠性高：该加热器采用特殊电热材料制造，设计表面功率负荷低，并采用多重保护，使电加热器安全性和寿命大大增加。

⒎可全自动化控制：根据要求通过加热器电路设计，可方便实现出口温度、流量、压力等参数自动控制，并可与机算机联网。

⒏节能效果显著，电能产生的热量几乎100%传给加热介质。

将电能转变成热能以加热物体。是电能利用的一种形式。与一般燃料加热相比，电加热可获得较高温度（如电弧加热，温度可达3000℃以上），易于实现温度的自动控制和远距离控制，（如车载电加热杯）可按需要使被加热物体保持一定的温度分布。电加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，并可根据加热的工艺要求，实现整体均匀加热或局部加热（包括表面加热），容易实现真空加热和控制气氛加热。在电加热过程中，产生的废气、残余物和烟尘少，可保持被加热物体的洁净，不污染环境。因此，电加热广泛用于生产、科研和试验等领域中。特别是在单晶和晶体管的制造、机械零件和表面淬火、铁合金的熔炼和人造石墨的制造等方面，都采用电加热方式。

根据电能转换方式的不同，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等。2

利用电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体。通常分为直接电阻加热和间接电阻加热。前者的电源电压直接加到被加热物体上，当有电流流过时，被加热物体本身（如电加热熨平机）便发热。可直接电阻加热的物体必须是导体，但要有较高的电阻率。由于热量产生于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高。间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上。由于被加热物体和发热元件分成两部分，因此被加热物体的种类一般不受限制，操作简便。

间接电阻加热的发热元件所用材料，一般要求电阻率大、电阻温度系数小，在高温下变形小且不易脆化。常用的有铁铝合金、镍铬合金等金属材料和碳化硅、二硅化钼等非金属材料。金属发热元件的最高工作温度，根据材料种类可达1000～1500℃；非金属发热元件的最高工作温度可达1500～1700℃。后者安装方便，可热炉更换，但它工作时需要调压装置，寿命比合金发热元件短，一般用于高温炉、温度超过金属材料发热元件允许最高工作温度的地方和某些特殊场合。

利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺要求，感应加热采用的交流电源的频率有工频（50～60赫）、中频（60～10000赫）和高频（高于10000赫）。工频电源就是通常工业上用的交流电源，世界上绝大多数国家的工频为50赫。感应加热用的工频电源加到感应装置上的电压必须是可调的。根据加热设备功率大小和供电网容量大小，可以用高压电源（6～10千伏）通过变压器供电；也可直接将加热设备接在380伏的低压电网上。

中频电源曾在较长时间内采用中频发电机组。它由中频发电机和驱动异步电动机组成。这种机组的输出功率一般在50～1000千瓦范围内。随着电力电子技术的发展，已使用的是晶闸管变频器中频电源。这种中频电源利用晶闸管先把工频交流电变换成直流电，再把直流电转变成所需频率的交流电。由于这种变频设备体积小，重量轻，无噪声，运行可靠等，已逐渐取代了中频发电机组。

高频电源通常先用变压器把三相 380伏的电压升高到约2万伏左右的高电压，然后用闸流管或高压硅整流元件把工频交流电整流为直流电，再用电子振荡管把直流电转变为高频率、高电压的交流电。高频电源设备的输出功率有从几十千瓦到几百千瓦。

感应加热的物体必须是导体。当高频交流电流通过导体时，导体产生趋肤效应，即导体表面电流密度大，导体中心电流密度小。

感应加热可对物体进行整体均匀加热和表层加热；可熔炼金属；在高频段，改变加热线圈（又称感应器）的形状，还可进行任意局部加热。

利用电弧产生的高温加热物体。电弧是两电极间的气体放电现象。电弧的电压不高但电流很大，其强大的电流靠电极上蒸发的大量离子所维持，因而电弧易受周围磁场的影响。当电极间形成电弧时，电弧柱的温度可达3000～6000K，适于金属的高温熔炼。

电弧加热有直接和间接电弧加热两种。直接电弧加热的电弧电流直接通过被加热物体，被加热物体必须是电弧的一个电极或是媒质。间接电弧加热的电弧电流不通过被加热物体，主要靠电弧辐射的热量加热。电弧加热的特点是：电弧温度高，能量集中，炼钢电弧炉溶池的表面功率可达560～1200千瓦/平方米。但电弧的噪声大，其伏安特性为负阻特性（下降特性）。为了在电弧加热时保持电弧的稳定、在电弧电流瞬时过零时电路电压的瞬时值大于起弧电压值，同时为了限制短路电流，在电源回路中，必须串接一定数值的电阻器。

利用在电场作用下高速运动的电子轰击物体表面，使之被加热。进行电子束加热的主要部件是电子束发生器，又称电子枪。电子枪主要由阴极、聚束极、阳极、电磁透镜和偏转线圈等部分组成。阳极接地，阴极接负高位，聚焦束通常和阴极同电位，阴极和阳极之间形成加速电场。由阴极发射的电子，在加速电场作用下加速到很高速度，通过电磁透镜聚焦，再经偏转线圈控制，使电子束按一定的方向射向被加热物体。

电子束加热的优点是：①控制电子束的电流值Ie，可以方便而迅速地改变加热功率；②利用电磁透镜可以自由地变更被加热部分或可以自由地调整电子束轰击部分的面积；③可增加功率密度，以使被轰击点的物质在瞬间蒸发掉。

利用红外线辐射物体，物体吸收红外线后，将辐射能转变为热能而被加热。

红外线是一种电磁波。在太阳光谱中，处在可见光的红端以外，是一种看不见的辐射能。在电磁波谱中，红外线的波长范围在0.75～1000微米之间，频率范围在3×10～4×10赫之间。在工业应用中，常将红外光谱划分为几个波段：0.75～3.0微米为近红外线区；3.0～6.0微米为中红外线区；6.0～15.0微米为远红外线区；15.0～1000微米为极远红外线区。不同物体对红外线吸收的能力不同，即使同一物体，对不同波长的红外线吸收的能力也不一样。因此应用红外线加热，须根据被加热物体的种类，选择合适的红外线辐射源，使其辐射能量集中在被加热物体的吸收波长范围内，以得到良好的加热效果。

电红外线加热实际上是电阻加热的一种特殊形式，即以钨、铁镍或镍铬合金等材料作为辐射体，制成辐射源。通电后，由于其电阻发热而产生热辐射。常用的电红外线加热辐射源有灯型（反射式）、管型（石英管式）和板型（平面式）三种。灯型是一种红外线灯泡，以钨丝为辐射体，钨丝密封在充有惰性气体的玻璃壳内，如同普通照明灯泡。辐射体通电后发热（温度比一般照明灯泡低），从而发射出大量波长为1.2微米左右的红外线。若在玻璃壳内壁镀反射层，可将红外线集中向一个方向辐射，所以灯型红外线辐射源也称为反射式红外线辐射器。管型红外线辐射源的管子是用石英玻璃做成，中间是一根钨丝，故亦称石英管式红外线辐射器。灯型和管型发射的红外线的波长在0.7～3微米范围内，工作温度较低，一般用于轻、纺工业的加热、烘烤、干燥和医疗中的红外线理疗等。板型红外线辐射源的辐射表面是一个平面，由扁平的电阻板组成，电阻板的正面涂有反射系数大的材料，反面则涂有反射系数小的材料，所以热能大部分由正面辐射出去。板型的工作温度可达到1000℃以上，可用于钢铁材料和大直径管道及容器的焊缝的退火。

由于红外线具有较强的穿透能力，易于被物体吸收，并一旦为物体吸收，立即转变为热能；红外线加热前后能量损失小，温度容易控制，加热质量高，因此，红外线加热应用发展很快。

利用高频电场对绝缘材料进行加热。主要加热对象是电介质。电介质置于交变电场中，会被反复极化（电介质在电场作用下，其表面或内部出现等量而极性相反的电荷的现象），从而将电场中的电能转变成热能。

介质加热使用的电场频率很高。在中、短波和超短波波段内，频率为几百千赫到300兆赫，称为高频介质加热，若高于300兆赫，达到微波波段，则称为微波介质加热。通常高频介质加热是在两极板间的电场中进行的；而微波介质加热则是在波导、谐振腔或者在微波天线的辐射场照射下进行的。

电介质在高频电场中加热时，其单位体积内吸取的电功率为P=0.566fEεrtgδ×10（瓦/厘米）

如果用热量表示，则为：

H=1.33fEεrtgδ×10（卡/秒·厘米）

式中f为高频电场的频率，εr为电介质的相对介电常数，δ为电介质损耗角，E为电场强度。由公式可知，电介质从高频电场中吸取的电功率与电场强度E的平方、电场的频率f以及电介质的损耗角δ成正比。E和f由外加电场决定，而εr则取决于电介质本身的性质。所以介质加热的对象主要是介质损耗较大的物质。

介质加热由于热量产生在电介质（被加热物体）内部，因此与其他外部加热相比，加热速度快，热效率高，而且加热均匀。

介质加热在工业上可以加热热凝胶，烘干谷物、纸张、木材，以及其他纤维质材料；还可以对模制前塑料进行预热，以及橡胶硫化和木材、塑料等的粘合。选择适当的电场频率和装置，可以在加热胶合板时只加热粘合胶，而不影响胶合板本身。对于均质材料，可以进行整体加热。3