PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

2018-04-23 11:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1255749460

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用
朱小荣
东莞市天成热敏电阻有限公司
2018/4/21

电锅炉采暖的优点：不用烧煤，减少有害物质的排放，减少大气雾霾的成霾物质，清洁，结构简单，使用安全，原来使用的燃煤采暖的散热器和管道还可以使用，设备成本较低；缺点：使用成本稍高，有漏电风险。

电锅炉结构类型：
加热管插入水箱。加热管插入水箱中加热，优点是容易清洗水垢；缺点是必须设置保温水箱，造价高，占地大，通电时间较长才能开始采暖。但是有保温水箱的，可以使用电费低谷的电力，节省电费。
插入式加热管在电锅炉使用示意图如下：

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

水通过加热管加热。优点是不用水箱，造价低，占地小，升温快，特别适合小面积、小功率的室内采暖用途。缺点是不易清洗水垢。可以设置或不用水箱，若不用水箱，则不可以使用

电费低谷的电力。
通过式加热管在电锅炉使用示意图如下：

水泵循环式。加热管可以任何角度放置，水流靠水泵驱动。

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

热驱动循环式。加热管竖直放置，水被加热后温度上升，比重下降，故往上流动。优点是没有水泵噪声；缺点是水流压力不足，流速慢，造成水垢沉积。

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

加热管的材料。
加热管的接触水部分的材料，一般有：铝合金、铜、不锈钢和钛等。
铝的优势是价廉，超轻，导热好。铝在水中不稳定，高温下、水中的氯离子较多时，都容易与水反应，产生腐蚀。当需要除垢时，除垢剂也会腐蚀铝材。在铝表面可以做些表面处理，但是防腐蚀效果不明显，或者是严重障碍热传导，或者表面处理成本太高。
铜的金属活动顺序排在氢离子的后面，不会被水腐蚀。而且导热性好，强度好，在除垢时不易损坏。但是材料成本偏高，在可靠性要求较高的场合使用。
不锈钢耐腐蚀性能很好，耐酸、耐碱、耐开水、耐除垢剂，强度很高。但是不锈钢的导热性远不如铜和铝，导热系数差不多是铜的十分之一。所以用不锈钢做接触水的材料，做PTC加热管，在相同尺寸的情况下，功率会比用铜和铝小20%左右。
钛具有优异的耐腐蚀性，可用在上述几种材料不适应的特殊水质。但是钛的价格很高。
加热管的功率密度。
功率密度越大，则需要使用的PTC陶瓷芯材料的表面温度越高。较高温度的PTC陶瓷芯，可靠性下降，容易击穿，功率衰减明显增加。从降成本和减体积考虑，宜把功率密度做大；从可靠性考虑，宜把功率密度做小，两者要寻求一个平衡点。

一般PTC加热管的功率密度选择范围见下表：

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

加热管的效率。
关于电加热管的效率，目前并没有明确定义。有些商家为了售卖自家的产品，故意歪曲效率概念。我这里定义电加热管的“电热能效比”如下：
浸水式加热管的电热能效比。根据焦耳定律，以及能量守恒原理，我们得出如下关系式：
Q =η×P×t = 4200×m×(T－T0)，
η= (4200×m×(T－T0))÷( P×t)
热量Q的单位为“焦耳J”；
η为能效比，单位为无量纲；
P为加热功率，单位为“瓦W”；
t为加热时间，单位为“s秒”；
物质质量m单位为“千克kg”，也就是通常说的重量；
温度T为加热后的温度，T0为加热前的温度，单位为“”（即是摄氏度），或K（即绝对温度）；
比热C的单位是“J/（kg·）”，水的比热为4200 J/（kg·）。

将质量为m的水倒入一个绝热比较好的水罐中，将一根电加热管插入水罐，盖好绝热盖子。注意水罐不要太大，以免水罐表面太大，散热损失增加。水罐尽量轻，以免水罐吸收太多热量，影响计算结果。当需要比较精确的情况下，就要将水罐吸收热量部分纳入计算式。还要避免产生蒸汽，因为蒸汽会带走热量。
通电加热，等功率稳定，将功率基本稳定的时刻，定为开始，记录时间，记录水温T0和功率P。再加热到时间t秒后，测量水温T。
计算能电热能效比。

通水式加热管的电热能效比。
η= (4200×L×(T－T0))÷( P×60)
L为水流量，单位为“千克/分钟”
t为加热时间60秒；
温度T为加热管出水口的温度，T0为加热管进水口的温度。

将通水加热管通电并通水（恒定流量），等到功率稳定后，测量稳定功率P、进水口水温T0、出水口水温T，1分钟流出的水的重量，计算电热能效比。

根据以往的测量结果，保温比较好的情况下，电阻式（包括电热丝、PTC、MCH、碳化硅等）插入式加热管、以及通水电热管的电热能效比一般在0.95~0.99之间。能量不会凭空产生，电加热的电热能效比不会超过1。自称比别的电热管节电5%以上的，都不要信，自己测试才是真。
如果电锅炉设在用热的室内，整个加热系统的“热量损失”，都留在室内，电热能效比就是基本上等于1。

采暖电锅炉设计。
按照国家节能建筑的要求，冬季采暖热负荷为55~70W/m2。按照这个标准，100m2的室内面积，采暖功率为5.0~7KW。
电锅炉出口水温一般为85左右，进口水温为65左右。工作压力为0.7MPa。
从结构区分，电锅炉分为蓄热式和直通式。蓄热式电锅炉包含有蓄热保温水箱，用水来蓄热，在用电电费低谷加热，在用电电费峰值停止加热，可节省用电电费。但是缺点是设备投资大，需要地点来摆放蓄热水箱。也可以使用相变蜡蓄热，比水箱蓄热量更大，但是设备成本较高。
直通式电锅炉比较简单，不需要水箱，设备造价低，非常适合家庭使用。甚至可以不要水泵，避免水泵噪声。
从电加热方式和材料区分，有：PTC电热管（也叫半导体陶瓷电热管）、金属丝加热管、石英镀膜加热管、电磁感应加热管等。其中PTC加热管的寿命长，安全可靠，被广泛使用。

PTC加热管的常用技术指标。
额定电压。国内市电有单相220V，三相380V星形，三相380V三角形。也可以用太阳能发电板供电加热。
冲击电流。使用电压加到加热管后，电流从小变大，到达最大值后再变小，最后稳定。最大的电流即为冲击电流。冲击电流一般比稳定电流稍大一些；但是太大的话，会损害供电电路。
稳定功率。PTC加热管的功率是受冷却条件影响的，水的温度，水的流动速率，都会影响稳定功率。施加电压对电热丝加热管的稳定功率影响比较大；而对PTC加热管的稳定功率影响不大。对于电锅炉来说，规定测试功率的条件为：水温60，水流速率20L/min，比较接近使用条件，也方便测试。功率的误差标准为+5%，-10%。
绝缘耐压。按照国家标准《JB/T 4088-2012，日用管状电热元件》要求，使用电压为220V时，加热管内部电线与外表之间的绝缘耐压≥1500V。
电极间耐电压。在有水加热的情况下，在电极间施加额定电压的1.5倍，10分钟，PTC加热管不应该有损坏。
漏电流。施加电压为额定电压时的泄漏电流。
表面温度。干烧表面温度：施加额定电压，无水状态下，加热管温度最高处的表面温度。工作状态表面温度：在有水状态下，施加额定电压，加热管温度最高处的表面温度。
功率衰减。加热管刚开始使用时，连续工作1000小时后的稳定功率减少的比例。一般要求功率衰减≤5%。
工作寿命。按照国家标准《JB/T 4088-2012，日用管状电热元件》要求，加热管的工作寿命≥3000小时。铜管PTC加热管，实际使用工况下，保用一般为2年；不锈钢材质的，保用3年。

电加热管常见故障。
漏电。加热管内部电线与外表之间施加规定的试验电压（如220V额定电压，绝缘电压为1500V），设定整定电流为5mA，历时60秒，加热管不应毁坏，打火。
断线。加热管的电线断开。
爆管。加热管的电线之间的发热电阻体烧毁，出现电阻为短路，或者电线之间打火，或者不发热。PTC加热管的电线接头处一般不能浸水，电线接头进水容易引起爆管。加热管表面起气泡，结水垢，表面散热差，都会增加爆管的可能性。降低加热管的表面负荷功率，可以有效防止爆管。
腐蚀。加热管的接触水的部位，受到水的腐蚀，出现凹坑，穿孔等。铝材质不能长期耐水，当水中的氯离子浓度较高时、水温较高时腐蚀加快。使用铜材，可以防止水的腐蚀。使用不锈钢材料，可以防止弱酸、碱，含氯离子的水的腐蚀。
水垢沉积。水中的钙镁离子、硅酸盐尘粒等，在水蒸发过程中浓缩沉积。如果加热管的表面温度较高，在其表面形成水汽蒸发，就会形成水垢沉积。水垢沉积在金属丝加热管表面，会引起爆管；沉积在PTC加热管表面，会引起功率下降，严重的甚至爆管。使用软水，水中加阻垢剂，可以有效防止水垢沉积。
功率衰减。PTC加热管的功率，受到传热条件的影响，随着加热管使用时间的延长，传热面出现松动，功率就会下降。PTC发热电阻，是半导体陶瓷体，其电阻会随使用时间的延长而变大，导致功率下降。降低加热管的表面负荷功率，可以有效减少功率衰减。不同厂家生产的PTC半导体陶瓷体，功率衰减的程度有很大差别，使用PTC加热管的厂家应做功率衰减试验后，才能使用。
接头渗水。通常是密封圈、或者密封胶的密封不严引起的渗水，或者加热管被水腐蚀后引起的漏水。

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

PTC半导体陶瓷加热管在采暖电锅炉的应用

举报/Report

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳