2.2　电热材料

2.2.1　电热转换方式

电热转换技术是一种利用电热材料实现电能向热能转化的技术，电能转换为热能的方式主要有电阻加热、电弧加热、感应加热和介质加热四种方式。

1.电阻加热

电阻加热是一种利用电流流经高电阻导体时产生的焦耳热对物体进行加热的技术，根据发热材料，电阻加热可以分直接电阻加热和间接电阻加热两类。

（1）直接电阻加热。通过被加热物体本身的电阻发热，被加热物体要有合适的电阻值，水是最常用的直接加热材料。

（2）间接电阻加热。利用由特殊材料制成的电热元件进行发热，再利用不同的传热方式（辐射、对流及传导）将热量传送到被加热物体。这种加热方式对被加热物体的要求较低，因而使用更广泛。

2.电弧加热

电弧加热是指利用电弧产生的高温加热物体。在高电压下，加热电极之间会发生击穿并形成高温电弧，其温度可达3000～6000K，适用于金属的高温熔炼。电弧加热同电阻加热一样，也有直接和间接电弧加热两种方式。电弧加热的特点是电弧温度高、能量集中，但电弧的噪声大，其伏安特性为负阻特性（下降特性）。

3.感应加热

感应加热是利用感应线圈在交流电下产生的交变磁场使被加热物体产生涡流，利用涡流损耗和磁化损耗加热。感应加热具有加热温度高、热效率高的优点。但由于线圈的电抗与漏磁通量的影响，感应线圈负载的功率因数非常低，常需将大容量的电容器与负载并联。感应加热按电源的频率可分为低频感应加热、高频感应加热两类。

4.介质加热

介质加热是在高频交变电场中利用被加热物体产生的介质损耗进行加热，具有加热速度快、节能高效、加热均匀的特点，在工业上用来加热和干燥电介类和半导体类材料。

2.2.2　常用的电热材料

常用电热材料按化学成分可分为铁铬铝合金和镍铬合金两大类。按最高使用温度可分为四个等级：超高温级电热合金（最高使用温度为1400℃）、高温级电热合金（最高使用温度为1300℃）、中温级电热合金（最高使用温度为1100℃）和低温级电热合金（使用温度为950℃以下）。

2.2.2.1　铁铬铝合金性能

铁铬铝合金具有优良的高温耐热性能，其使用温度可以达到1400℃，远高于镍铬合金材料，而且铁铬铝合金中具有很高含量的铝，增加了合金的电阻率，能有效地将电能转化为热能，节省材料。同时，合金中的铝能生成结构致密的Al2O3氧化膜，使合金具有优良的抗氧化性。但其缺点为铁铬铝合金存在常温脆性、475℃脆性和1000℃以上的高温脆性，加热时电阻率不稳定，冷热态电阻变化较大。铁铬铝合金在加热和冷却过程中电阻随温度的变化如图2-9所示。

2.2.2.2　镍铬合金性能

镍铬、镍铬铁合金具有高温强度高、无高温脆性的优点。与铁铬铝合金相比，镍铬合金冷热加工性能良好，方便加工成丝状或带状。此外，镍铬合金良好的高温强度也利于焊接，维护方便，但缺点是电阻率稍低，工作温度仅为1000～1100℃，合金中含有大量的镍、铬，成本较高，化学稳定性差，易被硫腐蚀。对高温强度有要求的电热元件必须选用镍铬和镍铬铁合金。

2.2.2.3　铁铬铝合金与镍铬合金性能对比

目前常用的电热材料主要有铁铬铝合金与镍铬合金。这两种电热材料的金相组织分别为铁素体和奥氏体，具有不同的特性。

1.电热材料的物理特性比较

电热材料通过焦耳热对被加热物体进行加热，因此，必须有足够的电阻率，且电热材料还需有良好的热性能，在高温下对材料电阻、结构影响较小。两种电热材料物理特性对比如下：

（1）铁铬铝合金的电阻率高于镍铬合金。

（2）镍铬合金在高温下金相组织比较稳定，使用中电阻率也比较稳定，相反，铁铬铝合金电阻率则不稳定。

（3）镍铬合金的电阻率比铁铬铝合金更均一。

（4）镍铬合金的线膨胀系数大于铁铬铝合金。

2.电热材料的力学性能

电热材料的力学性能主要与合金的成分相关。碳、硅、铬等元素含量的增加能提高合金的抗拉强度，镍含量的增加能提高合金的塑性。

（1）铁铬铝合金的塑性低于镍铬合金而强度高于镍铬合金。

（2）镍铬合金的高温持久强度高于铁铬铝合金。

（3）镍铬合金的高温蠕变强度高于铁铬铝合金。

3.电热材料的抗氧化性能

抗氧化性能表示合金在高温时抵抗氧化气氛腐蚀的能力，是表征电热材料最高使用温度和电热元件使用寿命的重要指标之一。合金的抗氧化性能越好，电热元件的使用寿命越长。铁铬铝合金会在其表面形成一层致密的氧化铝薄膜，阻止合金进一步氧化，因而具备更好的抗氧化性能。

2.2.3　表面负荷与寿命

表面负荷是指电热丝、镍铬丝等电热合金元件表面上单位面积所负荷的功率数，用符号ω表示，单位为W/cm2，它是影响电热体使用寿命的关键指标，是衡量电热材料耐热性的一个重要指标。

利用表面负荷可以衡量电热元件的寿命，同样条件下，表面负荷越大，电热元件的表面温度就越高，其使用寿命也就越短。利用电热元件的输入功率可以直接控制其表面负荷，此外，电热元件可以承受的表面负荷值还与元件的材料、规格、形状、安装等有关。

常见加热元件基本形状及安装方式如图2-10所示，一般线材可承受表面负荷高于带材，波形元件可承受的表面负荷高于螺旋形元件，瓷管安装的电热元件高于槽状安装的电热元件。

表面负荷是电热元件的单位表面积上所担负的电功率值，其计算公式为

式中　ω——电热元件的表面负荷，W/cm2；

P——加热电功率，W；

F0——电热元件总表面积，cm2。

式（2-7）计算所得表面负荷值为电热元件实际值，与元件设计表面负荷ω0比较，若ω＞ω0，则电热元件无法负担该功率，温升过高，加热元件的寿命缩短。元件设计表面负荷可由厂家提供，各类型加热元件设计表面负荷如图2-11所示。

2.2.4　加热元件形状

电热元件由电热材料加工制成，制造电热元件一般采用线材和带材，特种电热元件使用直条。线材与带材相比，同体积下表面积更大，耐热能力更高，但带材比线材容易加工成其他形状，且韧性更好。

电热合金线材、带材在使用时必须加工成各种形状的电热元件。螺旋形和波形是常用电热元件的基本形状。特殊形状的电热元件大多用于家用电器。

带材的最高使用温度同其形状的关系十分密切。使用温度越高，带状元件的波形高度就越低，带材厚度随之增大。这样可以减少元件的高温蠕变变形量，保持较长的寿命。

因同质量的线材的表面积更大，所以线材波形元件在同温度下也具备更高的表面负荷，寿命更长。

线材又可加工成螺旋形电热元件。为了避免元件在高温下因自重而发生大的变形，在加工缠绕螺旋形元件时，应合理选择元件的尺寸。

为了防止线材绕制成的螺旋形电热元件在高温工作过程中变形或倒塌，要求螺旋的直径D和线材的直径d有一定的配合比例。不同工作温度应有合理的D/d值。图2-12表示螺旋形的电热元件在空气中的最高使用温度与D/d值的关系。

由图2-12可以看出，螺旋形电热元件的最高使用温度同D/d值成反比例，即随D/d值增大，最高使用温度下降。如果螺旋直径太大，电热元件在高温下容易发生变形或倒塌现象；如果螺旋直径太小，有可能在缠绕过程中线材表面产生裂纹，从而缩短使用寿命。因此，在设计螺旋形元件时要根据最高使用温度来选择合理的D/d值。不同条件使用时螺旋元件的D/d值见表2-6。