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电锅炉用PTC半导体电热管

2018-08-21 15:02阅读：

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电锅炉用PTC半导体电热管
作者：朱小荣
东莞市天成热敏电阻有限公司
2018年8月22日
PTC发热体的发展史
1950年。荷兰飞利浦（Philip）公司的海曼（Haayman）发现了钛酸钡陶瓷的PTC效应。1965年日本的村田（Murata）制作所将做出了彩色电视的PTC消磁器，后来日本村田公司又开发了冰箱的PTC启动器，还有PTC恒温发热体。
PTC是正的温度系数的热敏电阻。P（positive）就是正的意思。T（temperature）是温度的意思。C（coefficient），就是系数。
国内最早研究PTC是在1980年左右开始。最开始研究PTC的几个单位分别是：
中国科学院上海硅酸盐研究所，电子工业部第七研究所，华中工学院（
现华中科技大学），成都电讯工程学院（现电子科技大学），华南工学院（现华南理工大学）等。
最早一批生产PTC发热体的工厂，是在1984~1986年间投产的。
PTC发热体的特点。
1. PTC发热陶瓷的组成。
电锅炉用PTC半导体电热管

PTC的主要组成，是钛酸钡陶瓷。在二氧化钛、氧化钡等主材中掺杂稀土元素等微量元素，烧结而成。它的电阻比导体要大，比绝缘体要小，属于半导体陶瓷。为了给陶瓷体通电，还需要在陶瓷体表面涂覆金属电极层。
2. 电阻-温度特性。
PTC半导体陶瓷，有一个非常显著的特点，在温度低于Tmin的A段，电阻随温度的上升与下降，呈现负的温度系数。温度在Tmin与Tmax之间的B段，陶瓷体的电阻随温度上升而急剧增大，呈现非常大正的温度系数。在温度比较低的情况下它的电阻比较小；但是当这个半导体陶瓷的温度到达了一定值的时候，它的电阻一下子增加几千倍甚至上百万倍。这个温度就称为居里温度Tc、或者相变温度。
电锅炉用PTC半导体电热管
3. 恒温特点。
如果给PTC半导体陶瓷通电，比如说220V。功率= 电压平方除于电阻，即：P = U2/R，电阻小则功率大；反之亦然。功率-温度的曲线，与电阻-温度曲线是反向关系。
刚开始，PTC自身温度比较低，所以它的电阻比较小。但是，当通电的时间长一点以后，由于其自身是个电阻体，会有发热功率，PTC自身发热，温度升高。温度升高导致电阻增加，会使发热功率下降。
散热功率= 散热系数*（发热温度-环境温度）。散热条件越好，则散热系数越大，散热功率就越大。发热温度越高，则散热功率越大。
当发热的功率跟散热功率相等的时候 ，温度就会保持稳定，不会继续上升，也不会下降。这就是PTC发热体可以基本上恒温的原理。
当施加电压增加，PTC的发热温度稍微增加，电阻急速增加，促使功率自动下降。这样不会导致温度大幅上升。
当散热较慢时，PTC的散热功率稍微下降，发热温度稍微增加，电阻急速增加，促使功率自动下降。这样不会导致温度大幅上升。
电锅炉用PTC半导体电热管
4. 长寿命特点。PTC陶瓷是一种氧化物陶瓷，可以长期暴露在空气中通电，而不会继续氧化烧毁。PTC的发热温度很低，一般为240℃左右，涂覆在陶瓷体表面的金属层，一般与贴合的金属片粘接，封闭在金属外壳里面，也没有很多氧气侵入，所以金属层也不容易氧化。所以PTC陶瓷体的寿命普遍较长，一般寿命5~10年。
5. 高绝缘特点。PTC的发热温度在240℃左右，采用高绝缘高耐压的聚酰亚胺膜作为绝缘材料，绝缘耐电压，漏电流，绝缘电阻，耐久性都非常优异。比如电锅炉加热管，绝缘电阻≥200M，≤0.2mA/kW，绝缘耐电压≥2500V。试验时间达到3000小时，仍旧达到这些指标。

电锅炉用PTC半导体电热管与金属丝电热管、石英加热管优、缺点比较。
1. 石英玻璃通水加热管
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：价格低廉。
缺点：加热管导热差，在高温高压、热涨冷缩下长期工作，易破碎漏水，导致漏电；表面温度高，影响周围电器元件的稳定性；热利用率偏低；为了追求低成本，采用劣质发热膜，功率衰减大；不可干烧；水接头容易漏水。
2. 不锈钢杯式加热器
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：耐腐蚀性较强，传热快效率高；价格相对低廉。
缺点：长期工作后绝缘材料受潮，绝缘下降。水的流速低，发热管表面温度高，容易结水垢甚至爆管，管内压力大导致爆管；接线柱部位有高温，容易烧坏断电；焊接要求高，容易漏水；不可干烧。
3. 电磁感应环绕式加热器
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：最大的优势在于水电完全分离，安全，完全杜绝水中带电。
缺点：热辐射、磁场辐射对控制系统破坏大，故障率高；附加高频电源电路耗电较多，电磁-热的转换效率很难提高，所以电热利用率较低；会产生对人体有害的电磁辐射；体积较大；成本高。
4. PTC半导体陶瓷通水加热器
优点：铜或不锈钢通水管结构，耐水腐蚀，导热优异；低温加热，水流速度大，不易结水垢；耐干烧，确保安全，使用寿命长，绝缘性能优异。
缺点：有些厂家使用劣质PTC陶瓷片，功率衰减差，不能达到要求的使用寿命；体积大，价格高；有些厂家没有采用适当的隔热技术，热损失稍大。
电锅炉用PTC电热管的结构。
1. 铝通水电热管。
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：寿命长，成本低，体积、重量小。
缺点：铝管容易腐蚀，外壳表面温度高，外表散热功率大。
2. 铜通水电热管。
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：寿命长，铜通水管，不易腐蚀，成本低，体积小、重量轻。
缺点：外壳表面温度高（180~220℃），外表散热功率大。
3. 铜通水电热管+保温层+不锈钢低辐射外壳。
电锅炉用PTC半导体电热管

优点：外壳表面温度低（约80℃），外表散热功率小（电热利用效率达99%），铜内管不易腐蚀，正常使用寿命10年以上。
缺点：成本稍高。
4. 铜通水电热管+双层绝缘+保温层+不锈钢低辐射外壳。
电锅炉用PTC半导体电热管
优点：外壳表面温度低（约80℃），外表散热功率小（电热利用效率达98.5%），铜内管不易腐蚀，正常使用寿命10年以上；杜绝漏电，即使发热陶瓷故障也不会漏电。
缺点：成本高，体积大。
5. 铜通水电热管+水冷却层+不锈钢低辐射外壳。
电锅炉用PTC半导体电热管
优点：外壳表面温度低于进水温度（80℃以下），外表散热功率极小（电热利用效率达99%），铜以及不锈钢内管不易腐蚀，正常使用寿命10年以上。
缺点：成本高，体积大，防水焊接工艺复杂，稍有不当可能会漏水。
对电锅炉采暖的误区。
电阻加热管采暖的热效率低。
电热管如果是用来做辐射加热，因为向周围散失很多热量，到达被加热物体的热量很少，故效率非常低。但是电热管插在水中加热水，几乎所有热量都被水吸收，所以加热效率达到98~99%。
PTC半导体加热管，电阻丝加热管都是属于电阻加热，经过实测，是目前热效率最高的。
石英加热管能够省电。
石英加热管如果是用来做辐射加热，由于辐射效率高，频率低（波长长），热量容易被被加热物体吸收，被加热物体升温快，故效率非常高。
但是石英加热管中间通水加热水，加热管会向外围空间辐射散热，辐射效率越高，热量损失越大，所以加热效率达到90~95%。
电磁加热管能够省电。
电磁加热管用来给不锈钢锅加热，炉子不热，而不锈钢锅被迅速加热，高频电流几乎全部用来加热不锈钢锅，效率非常高，加热速度非常快。
但是电磁加热管用在电锅炉，中间通水加热水，并不能使水快速升温。反而因为电磁辐射散失能量，高频电源电路损失能量，热量损失比较大，所以加热效率达到75~85%。
电热效率应该由实测确定，而不是看厂家的宣传。
电磁加热管寿命最长。
如果只是考虑感应线圈，寿命非常长。但是考虑到大电流高频电源的故障率很高，电磁加热就是短寿命了。
PTC金属发热丝可以达到恒温加热。
几乎所有金属（包括合金）的电阻都会随温度上升而增加，温度系数一般小于0.5%/℃，没有恒温加热功能。PTC 半导体加热电阻的温度系数一般为20%/℃，比金属电热丝大40倍以上，有恒温加热功能。
附录一：各种加热管性能详细对照表。
电热管类型
 PTC半导体通水电热管
 金属丝杯式电热通水套
 石英玻璃通水加热管
表面功率密度
 8~10W/cm 2
 8~10W/cm 2，表面功率密度较高的成本低，寿命也短
 8~10W/cm 2，表面功率密度较高的成本低，寿命短
发热源温度
 220℃~260℃，
 干烧时发热丝温度约900℃，有水时约600℃
 干烧时发热膜温度约900℃，有水时约400℃
通水管外壳温度
 个别厂家产品外表温度≤80℃，其他厂家180~220℃
 与加热后的水温相同
 有水通过时约400℃，控制箱内温度高
靠水面/电线间绝缘电阻
 ≥200MΩ
 ≥50MΩ，（国家标准）
 ≥200MΩ
绝缘电压
 ≥2500V
 ≥1750V，（国家标准，附加绝缘级别）
 ≥2500V
漏电流
 ≤0.2mA/kW
 ≤0.75mA/kW（国家标准）
 ≤0.2mA/kW
功率-时间变化
 较好的加热管功率按3年衰减8%以下。
较差的加热管功率按3年衰减达到30%。另外，结水垢后功率下降约10%
 功率变化不大
 贵金属膜衰减老化小，贱金属膜、氧化物镀膜衰减大。暂时没有数据
安全性、稳定性
 绝缘电阻、耐电压、漏电流，使用10年内，仍达到要求。采用铜管通水的电热管，漏电机会低。采用铝管通水的，铝管有腐蚀穿孔漏电的隐患。本身结水垢少，结水垢后，仍能安全使用，只是功率小了一些。
 长期使用后，绝缘电阻下降，耐电压下降，漏电流增加，甚至达不到要求。还有电热管爆管可能性较大，漏电机会高。容易结水垢，结水垢后，爆管机会增加很多。
 石英玻璃管导热差，硬脆，加热起动时，管内外温度差大，应力大，长期通断后裂纹扩大甚至开裂。水管抗压力差，内部结冰后极易开裂。在寒冷地区，加热管不能放室外，以防石英玻璃管开裂
冲击电流
 较好的配方和工艺，冲击电流一般为稳定电流*1.1~2倍，各个厂家不同。
 冲击电流一般为稳定电流*1.05倍
 冲击电流约为稳定电流*1.1倍
使用寿命（水质较好）
 约10年（铜材质），
1~2年（铝材质）
 0.5~1年
 0.5~3年（各生产厂的石英管质量相差很大）
使用寿命（水质较硬）
 约10年（铜材质），
0.5~1.5年（铝材质）（水垢下容易腐蚀）
 0.3~0.5年（有水垢就容易烧坏电热丝或爆管）
 0.5~1年（有水垢就容易裂
使用寿命（氯气含量高）
 约10年（铜材质），
0.5~1年（铝材质）（容易腐蚀）
 0.5~1年
 0.5~3年（各生产厂的石英管质量相差很大）
电热效率
 ≥98.5%，只计算加热管部分
 ≥98.5%，只计算加热管部分
 约92%，只计算加热管部分
水垢的沉淀
 铜通水加热管的表面温度低，水流速度大，管子内表面的水不容易汽化，水中的钙离子、镁离子不易浓缩、沉淀，因此水垢少。
 电热管表面温度高，表面的水流动很慢，表面产生水的汽化，水中的钙、镁离子易浓缩、沉淀，因此水垢多。
 石英通水加热管的表面温度低，水流速度大，管子内表面的水不容易汽化，水中的离子不易浓缩、沉淀，因此水垢少。
干烧特性
 允许电热管的部分干烧，或者整根电热管干烧。
 部分或整个电热管干烧后，立即烧毁金属丝或爆管
 部分或整个电热管干烧后，烧毁发热膜、开裂
绝缘材料
 聚酰亚胺膜，时间稳定性非常优异
 氧化镁粉，时间稳定性差，容易吸潮。
 石英管，绝缘优良，有开裂风险
电热材料
 PTC半导体陶瓷，主要成分为钛酸钡
 金属丝，常用铁铬铝（OCr25Al5），
 金属厚膜有贵金属和贱金属，还有氧化物镀膜
电阻温度系数
 约25%/℃（工作温度点的数据）
 约0.5%/℃（不同电热丝有所不同）
 约1%/℃（不同电热膜有所不同）
加工工艺
 复杂
 简单
 简单
维修成本
 电热管寿命长，维修成本低
 电热管寿命短，维修成本高
 电热管寿命短，维修成本高
综合成本
 初期投资成本较高，但是维修成本较低，使用成本低。
 初期投资成本较低，但是维修成本较高，使用成本高。
 投资成本低，玻璃管有开裂风险，不适合安全、质量要求高的场合。

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