电热保温管的电加热工艺研究
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【摘 要】本文首先介绍电加热保温管的原理，在分别介绍金属管状电热加热管和PTC热敏电阻加热等两种加热方式，两种加热方式各有特点。金属管状电热加热管是一种成熟且价廉物美的电热工艺，PTC电加热是最近几年刚刚发展起来的新型的加热方式。
1、引言
保温管又称作为绝热导管，主要用于气体、液体及其他介质的输送，在石油、化工、航天、军事、集中供热热、中央空调、市政等等管道的绝热保温工程中有较广泛的应用[1]。
保温管是影响节能的重要因素之一，世界各国非常重视保温管的研制和保温管的应用。20世纪70年代以后，保温管的生产和应用受到国外的普遍重视，为的是大幅度减少能源的消耗量，以致减少环境污染和温室效应，达到保护环境的要求。国外保温工业的发展历史悠久，而新型的保温材料也正在不断地涌现出来。20世纪80年代以前，我国保温管的发展刚刚起步，仅有几家保温厂可以生产少量的地下直埋保温管。改革开放以来，中国保温工业经过30多年的努力，特别是最近10年的快速发展，很多新产品不断涌现，产品种类从单一到多样，产品质量也从低到高，产品的应用范围也越来越广。聚氨酯材料是目前世界上最常用的保温材料之一。硬质的聚氨酯用途最为广泛，其具有非常多的优异性能，在美国和欧洲等国家被广泛用于保温隔热领域。聚氨酯材料约占欧美等发达国家的保温材料中的49%左右，但中国这一比例还不超过20%。因此，用聚氨酯材料制作的保温管在中国有很大的发展前景，市场潜力巨大。
高温电阻丝均匀的分布于耐高温的不锈钢无缝管内，由于结晶氧化镁粉具有良好的导热性能和绝缘性能，在不锈钢无缝管空隙部分致密地填入，这种结构不但热效率高，而且非常先，另一优势是发热均匀，当电流通过高温电阻丝中时，结晶氧化镁粉将产生的热扩散至金属管表面，再传递到被加热件或空气中去，进行加热。但对于加热工艺的研究鲜有报道，本文主要介绍电加热工艺的研究。
2、管状加热元件
金属电热管被广泛应用于电加热的产品当中，最好的金属是镍铬发热丝，引用也最广，最差的是铁铬发热丝，应用较少。应用较多的是是镍铬丝电热管，又分为不锈钢电热管、铁质电热管、铜质电热管等；在金属管与发热丝中间有一层氧化镁（绝缘效果和导热性能俱佳的材料），按国标要求，一般要承受1250V高压测试其电器强度方能合格。在储水式的电热水器中，大部分也采用此类加热方法，比如海尔、史密斯、阿里斯顿等公司，因为该方法是一种发展比较成熟也比较价廉物美的电加热方法，因此被广泛采用。铁质电热管用在电热水器上，但由于其非常容易生锈，所以很少被使用，不锈钢电热管的应用则较多，但其容易产生水垢，不如铜质金属电热管应用广泛，但铜电热管的相对成本又较高，其中最好的又是紫铜电热管，不过目前应用的比例只占金属电热管的10%。
电热金属管状加热管是一种加热元件，其制作方法为：在金属管中放入电阻丝，并紧密填充有良好导热性、耐热性、绝缘性的结晶氧化镁粉在周围空隙部分，最后再用其他工艺处理。它的特点为结构简单，热效率高，机械强度高，安装方便，安全可靠，使用寿命长等。广各种硝水槽，石槽，热模具，酸碱槽及空气加热炉干燥箱等装置采用这种加热管较多。加热介质和使用环境是用户在选择加热管的时候应首先考虑的。它的原理是在电热丝与金属管之间填充电熔结晶氧化镁粉作为导热和绝缘层[2]。常用的发热电阻有如下两种：
（1）铁铬铝等高电阻电热合金材料：该材料特点为：电阻温度系数小、电阻率高、使用温度高。在高温下的耐腐蚀性能较好，非常适合应用在含有硫和硫化物气氛中，并且相对成本较低廉，是家用电器、工业电炉、远红外装置中较为理想的发热材料。
（2）镍铬材料：该材料具有可塑性强和高温强度高等特点。广泛用于家用电器、工业电炉、远红外装置等方面。
3、PTC热敏电阻加热
PTC热敏电阻恒温加热最大有点是恒温加热，该电阻的工作原理为：PTC热敏电阻通入电流后自动加热升温，使电阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持不变，PTC热敏电阻的居里温度和外加电压是影响该温度的重要因素，环境温度对表面温度的影响不大。
PTC加热器是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的加热元器件。在要求功率不是很大的情况下，该加热器具有无明火、恒温发热、热转换率高、自然寿命长、受电源电压影响极小等传统发热元件无法具备的优势，在电热器具中的应用越来越广泛，被研发工程师广泛采用。恒温加热PTC热敏电阻制作方便，可制作成不同规格和多种外形结构，可塑性较强，常见的有长方形、圆片形、圆环、长条形以及蜂窝多孔状等，可任意加工成不同性状。当要求的功率较大时，可将金属构件和上述PTC发热元件进行组合，可以形成各种形式的大功率PTC加热器。按传导方式分，PTC加热器可以分为一下下几类：
（1）PTC陶瓷加热器。以热传导为主。其特点是通过电极板（导电兼传热功能，安装于PTC发热元件表面）、导热蓄热板、绝缘层（隔电兼传热）等多层传热结构（有些还附有导热胶）将PTC元件所发出的热量传到被加热的物体上。
（2）PTC陶瓷热风器。对流式传热所形成的热风。其输出功率较大，并能自动调节输出的热量和吹出的风温。
（3）红外线辐射加热器。红外线加热原理，这种加热器实际利用导热板表面或PTC元件快速发出的热量直接或间接地激发接触涂覆于其表面的远红外涂料或远红外材料使之辐射出红外线，起到加热的目的，便形成了PTC陶瓷红外辐射加热器。
按结构特点分，PTC加热器可以分为以下几类：
（1）自动恒温型。这类器具的主要应用于：小型晶体器件恒温槽、电子保温瓶、恒温培养箱、保温箱、保温盘、保温杯、保温桌、保温柜等各种保温设备。其功能特点是结构简单、自动保温、热效率高、恒温特性好、使用环境温度范围宽等[3]。
（2）普通实用型。这类器具主要应用于： 电热蚊药驱蚊器、干燥器、暖手器、电热板、电烙铁、电烫斗、卷发烫发器、电热粘合器等。这种加热器的功能特点是功率较小，但热效率很高，非常实用[4]。
（3）热风PTC加热器。这类热风PTC加热器主要应用于：小型温风取暖器、暖房机、电吹风、烘干机、干衣机、干衣柜、工业烘干设备等. 其功能特点是输出热风功率很大、加热速度快、安全、能自动调节风温和功耗等[5]。
4、结果与讨论
在分别介绍金属管状电热加热管和PTC热敏电阻加热等两种加热工艺的基础上，文章分析了各自的特点。金属管状电热加热管是一种成熟且价廉物美的电热工艺，因此运用非常广泛，目前市面上的很多保温管都是这种加热工艺。
PTC电加热是最近几年刚刚兴起的新型的加热工艺，发展还不是很成熟。它是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的加热器件。在功率不是很大的加热场合，PTC加热器具有很多优势，例如无明火、恒温发热、热转换率高、自然寿命长、受电源电压影响极小等传统发热元件不具备的优势，在电热器具中的应用越来越受到关注，应用范围也在不断扩大。在保温管的应用方面越来越受到关注，这种加热工艺面临着蓬勃的发展机遇，必然会带来保温管发展上的一次新的革命。