Нагревательные элементы

Нагревательные элементы - устройства различных видов, обеспечивающие выработку тепловой энергии используемой при решении инженерных задач. Элементы нагрева имеют различную конфигурацию, потребляемую мощность, различаются по видам и типам, применяются в установках, расходующих для работы тепло.

 

 

Материалы, из которых изготавливаются нагревательные элементы, могут представлять собой проволочную спираль, плоскую металлическую полосу либо тепловыделяющую равномерное тепло поверхность, полученную путём набора многослойных схем уложенных в определённом порядке.

Все выше перечисленные свойства определяют принципы работы нагревательных элементов. Область применения внушительна. Разнообразие видов позволяет применять их в различных технических устройствах связанных с использованием тепловых процессов. При этом особой популярностью пользуются плоские нагреватели позволяющие создать равномерный тепловой поток по всей поверхности теплопоглощающего объекта. Для оптимальной работы конструкции нагреваемой установки имеющей неровную поверхность применяются гибкие нагреватели, обеспечивающие равномерную передачу тепла независимо от изгибов разогреваемого механизма. Огромное количество технических устройств функционирующих в суровых климатических условиях (это любое опасное метеорологическое явление, способное нанести ущерб, вызвать серьезные социальные потрясения или привести к гибели людей), как правило, снабжаются принудительным подогревом, обеспечивая их бесперебойную работу. Снижение температуры окружающей среды может отрицательно сказаться на жизнедеятельности электронной аппаратуры и привести её к выходу из строя. В экстренных ситуациях это может повлечь за собой гибель людей. Не менее важную роль играют тепловые процедуры (физиотерапевтический метод, или тепловая терапия повышающая внутреннюю температуру тела человека) и в повседневной деятельности человека. Они позволяют создать комфортные условия для работы и отдыха (условия, обеспечивающие высокую работоспособность человека и сохранение его здоровья) тем самым повысить производительность труда. Большинство технических процессов не возможно без использования нагрева различных поверхностей, газов или жидкостей и здесь опять же незаменимыми становятся электрические нагреватели. Термические операции (совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры) с их применением происходят значительно быстрее и эффективнее. Таким образом, получается, что нагревательные элементы играют в нашей бытие существенную функцию и в какой-то степени являются двигателями прогресса.

Что такое нагревательный элемент

Что такое нагревательный элемент - это устройство, применяемое при решении инженерных задач связанных с использованием нагрева физического вещества. Оно может иметь различные формы в зависимости от конкретных условии и способов применения при протекании термических процессов, а так же изготавливаться из разнообразных токопроводящих материалов.

Использование его в бытовых приборах позволяет обеспечивать нагрев какой-либо среды гарантирующей необходимые условия функционирования технических процедур связанных с употреблением тепла. Нагрев физического вещества (искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне) до нужной температуры процесс весьма затратный требующий, как правило, использования больших объёмов энергии. Поэтому немаловажным является применение нагревательного элемента с высокой производительностью и надёжностью при его эксплуатации. Тем самым можно добиться высоких показателей рентабельности выпускаемой продукции (отношение прибыли к себестоимости товаров) связанной с потреблением тепла.

Тепловые нагревательные элементы

Тепловые нагревательные элементы, как правило (за некоторыми исключениями), создают тепло, преобразуя электрическую энергию. Электрический ток, проходя через различные преобразователи, преобразуется в тепловую энергию (форму энергии, зависящую от движения атомов, молекул или других частиц, из которых состоит объект), которая непосредственно участвует в процессе нагревания того или иного вещества путем распространения тепловой энергии в твердых материалах, жидкостях и газах через конвекцию (физический процесс, при котором происходит передача тепловой энергии посредством различных потоков), теплопроводность, или излучение. Таким образом, появляется возможность провести нагрев в тех частях оборудования, где это необходимо, и избежать ненужного расхода электроэнергии там, где это не требуется. При проведении некоторых термических процессов (изменении температуры материала деталей во времени) особое внимание уделяется равномерности вырабатываемого тепла, что обеспечивает высокое качество производимой продукции. Добиться такого результата можно с помощью тепловыделяющей поверхности плоской формы и с небольшими расстояниями между витками нагревательного провода. Это позволяет создать наиболее стабильный тепловой поток (количество энергии, переносимое за единицу времени) через всю поверхность обогревателя. Однако, как правило, создание тепловых нагревательных элементов с небольшими интервалами между проводами является проблематичным из-за возможности электрического пробоя резкого возрастания тока в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике или полупроводнике). Приходится усиливать изоляцию, что в свою очередь приводит к увеличению расстояния между витками, а это может привести к неравномерному распределению тепла по всей площади. Некоторые примеры эффективного применения нагревательных элементов нового вида при решении технических задач с использованием тепловых процессов представлены ниже.

Материалы нагревательных элементов

Материалы нагревательных элементов — это совокупность химических материалов из периодической таблицы, которые обладают выраженными металлическими свойствами и хорошей электрической и тепловой проводимостью (способность передавать внутреннюю энергию путем движения электронов и микроскопических частиц внутри тела). Эти материалы используются при изготовлении нагревательных элементов. Тепловыделяющие поверхности являются основными источниками повышения температуры при протекании тепловых процессов (изменение макроскопического состояния термодинамической системы) в промышленном производстве.

Поэтому выбор термоэлемента для использования зависит от вида и характеристик среды, в которой он будет работать. Состав сплава подбирается в соответствии с условиями эксплуатации. Производительность и срок службы нагревательных элементов зависят от природы материала, который используется при их изготовлении. Этот материал должен обладать следующими свойствами: высокая температура плавления (состояние, при котором твердое кристаллическое тело приобретает свойства жидкости); защита от окисления в открытой атмосфере; высокая прочность на разрыв; достаточная пластичность (способность твердых тел изменять размеры и форму под воздействием внешних нагрузок и сохранять их после прекращения действия нагрузок); высокое электрическое сопротивление; низкий температурный коэффициент (зависимость электрического сопротивления от температуры, которая имеет обратную температуру размерность).

Материал нагревателя по конструктивным особенностям может быть выполнен в виде проволочной спирали, ленты или полосы открытой или закрытой формы, гибкой пленки с нанесенной на нее резистивной дорожкой, жесткого плоского основания, испускающего инфракрасное излучение.

Спираль, как правило, изготавливается из проволоки с высоким резистивным сопротивлением. Материалы нагревательных элементов представляют собой хромоникелевые прецизионные сплавы (группа сплавов с заданными физико-механическими свойствами) или сплав фехраль.

Сочетание нихрома 80/20 считается оптимальным для изготовления, так как оно имеет большое сопротивление и способно при первом нагреве образовать липкий слой из оксида хрома, который защищает поверхность от окисления. Из этого сплава изготавливается большинство плоских термических приборов, таких как на металле или керамике. В этих случаях спираль с большим сопротивлением помещается в керамику или запрессовывается в электрический изолятор и закрывается металлической оболочкой. Таким образом, получается греющая плоскость, испускающая неравномерный тепловой поток (неравномерное распределение температур по поверхности нагревателя), который возникает в результате неоптимальной излучающей поверхности.

Технология нагревательных элементов нового типа значительно отличается от предыдущих. Поэтому и материалы, используемые для их производства, также меняются. В состав материала нагревательного элемента входят: основа (металл, керамика или пленка), диэлектрическая паста, контактная паста, резистивная пленочная дорожка и защитный диэлектрический слой (покрытие, состоящее из нескольких слоев диэлектрических материалов).

При этом тепловыделяющая поверхность получается в виде набора многослойных схем, уложенных в определенном порядке на подложку (основу). Электрические нагреватели, на базе токопроводящей пасты позволяют получить сплошное и равномерное тепловое поле (совокупность значений температуры во всех точках тела в данный момент времени) на тепловыделяющей поверхности.

Изготовление нагревательных элементов

Изготовление нагревательных элементов это процесс производства высококачественных нагревательных элементов с хорошими техническими параметрами (физическая величина, характеризующая свойство технического устройства, явления или процесса) и большой надёжностью в работе. Гибкие плёночные нагреватели так же могут изготавливаться из проволочной спирали, помещённой в силикон, полиэтилен или стекловолокно. Им присуще те же проблемы что и для плоских нагревателей на металле. Решить вопрос неравномерности выделяемой энергии можно с помощью травления (технологический приём для удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических веществ) фольги. Используемый способ травления фольги в цикле производства гибких тепловыделяющих приборов даёт возможность разработать электронагреватель с учётом всех условий предоставленных заказчиком. При этом возникает высокая вероятность того что большинство требовании будет выполнено таким образом что электрообогреватель получится с оптимальными электрическими характеристиками. Гравированные электрические нагреватели из фольги, как правило, сделаны из тех же сплавов что и сопротивление проволочных обогревателей, но изготавливаются с помощью фотоцинкографической операции (фотомеханический процесс, предназначенный для изготовления клише и печати с них полутоновых изображений) , которая начинается с непрерывного листа металлической фольги и заканчивается сложным резистивным рисунком. Этот процесс весьма затратный, что в конечном итоге слишком дорого для производителя. Таким же эффектом равномерного распределения тепла обладают устройства выполнение по энергосберегающей технологии на основе токопроводящих паст, в то же время расходы на производство нагревательных элементов с хорошими техническими параметрами и большой надёжностью в работе значительно ниже.

Свойства нагревательных элементов

Свойства нагревательных элементов - совокупность свойств нагревательных элементов применяемых в различных термических процессах. Они зависят от химического состава применяемых при изготовлении материалов, технологии производства, и физической среды в которой используется тепловыделяющий прибор.

Большинство нагревателей делаются из проволоки имеющей высокое резистивное сопротивление (пассивный элемент, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется в какой-либо другой вид энергии, например, в тепловую, механическую, световую). Такие приборы, как правило, могут разогреваться до высоких температур, но в тоже время неспособны создать сплошной равномерный тепловой поток. Что негативно сказывается на качестве производимой продукции. Этого недостатка лишены плоские термоэлементы, изготовленные по энергосберегающей технологии обеспечивающие надёжную работу нагревательного элемента. Они не только способны производить равномерный нагрев по всей плоскости, но и позволяют значительно экономить электроэнергию по сравнению с другими электрообогревателями. Основные параметры плоских нагревателей даны в разделе «Плоские нагреватели»

Мощность нагревательного элемента

Мощность нагревательного элемента - это физическая величина, которая определяет скорость и количество преобразования электрической энергии в тепловую энергию. Преобразование электрической энергии в тепловую осуществляют электрические нагревательные элементы от внутреннего сопротивления, которых зависит их мощность. Электрические нагреватели это тепловыделяющие приборы, работающие сообразно принципу преобразования электрического тока в тепло. Все нагревательные элементы имеют одну и ту же цель: преобразовать электрическую энергию в тепловую энергию, а затем распределить ее через твердые частицы, жидкости или газы путем конвекции, теплопроводности или излучения. Когда электрическая энергия проходит через нагреватель, она попадает на сопротивление, которое превращает электрическую энергию в тепловую мощность. Количество вырабатываемой тепловой энергии коррелирует (статистическая взаимосвязь двух или более случайных величин) с тем, какое электрическое сопротивление препятствует протеканию тока через него.

Допустим, вы сделали сопротивление нагревателя как можно большим - фактически бесконечным. Тогда по закону Ома (напряжение = ток × сопротивление или U = I * R)

Где: U - напряжение между концами нагревательного элемента; I – протекающий по нагревателю ток; R - электрическое сопротивление нагревателя. Эта формула говорит о том, что ток, протекающий через ваш нагреватель, должен быть бесконечно малым (если I = U / R, ток стремится к нулю то, сопротивление R стремится к бесконечности). У нас будет огромное сопротивление и практически не будет тока а, следовательно, не будет выделяться тепло. Если кинутся в другую крайность и сделать сопротивление бесконечно малым, то возникнет другая проблема. Значение тока I будет огромным, а сопротивление R практически нулевым, возникнет эффект сверхпроводимости в результате чего ток будет проходить через нагреватель не выделяя тепла. Следовательно, в любом нагревателе необходим баланс (равновесие) между двумя крайностями: достаточным сопротивлением для выделения необходимого количества тепла и потребляемого для этого тока. Такой же вывод можно сделать и математически. Мощность нагревательного элемента - P, производимая потоком электричества, равна напряжению, умноженному на ток (P = Вольт × Ампер или P = U * I). Нам также известно из закона Ома, что U = I * R. Подставляя вместо напряжения U его значение, обнаруживаем что мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе равна I²*R. Другими словами, тепло соразмерно сопротивлению, но оно также пропорционально и квадрату тока. Отсюда вытекает вывод - ток оказывает гораздо большее значение на выработанное тепло, чем сопротивление. Если удвоить сопротивление, то удвоится производимая мощность. Но если удвоить значение тока, то мощность нагревателя увеличится в четыре раза. Поэтому значение тока это то, что существенно оказывает влияние на вырабатываемую мощность нагревательным элементом.

Равномерный нагрев поверхности

Равномерный нагрев поверхности физического вещества это создание условий, при которых температура нагрева равномерна как по всей плоскости нагревателя, так и теплопоглощающей поверхности. Устройства, производимые и использованием новой технологии, обладают уникальными свойствами по генерации сплошного теплового поля. Такая схема нагревательного элемента позволяет формировать равномерный нагрев рабочей теплопоглощающей поверхности. Эти устройства могут изготавливаться как в жёсткой форме на металлическом или керамическом основании, так и в варианте гибкого исполнения с подложкой из полистирола. Их нагрев происходит постоянно по всей поверхности, что позволяет получать равномерное излучение тепла (электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела) и это очень важно для таких термических процессов, которые требуют создания сплошного теплового поля без значительных колебаний. То обстоятельство что термоэлементы этих типов имеют незначительную толщину (порядка 1 мм. для металла и 0,15 мм. для плёнки) даёт возможность избежать лишних потерь электрической и тепловой энергии (форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело) в период их эксплуатации и тем самым получить равномерное тепловое поле по всей поверхности нагревательного элемента. Инерционность (скорость набора заданной температуры) значительно меньше, чем у других видов, что позволяет применять их там, где требуется высокая быстрота и постоянство разогрева заготовки. Способность этих электрообогревателей выдерживать высокие степени вибрации (механические колебания машин и механизмов, которые характеризуются такими параметрами, как частота, амплитуда, колебательная скорость, колебательное ускорение) и создавать равномерный нагрев делает незаменимыми их при эксплуатации авиационной и космической техники. На снимке плоский электронагреватель, с равномерным тепловым потоком изготовленный на основе токопроводящей пасты с выставки город Москва.

Нагревательный элемент плёнка

Нагревательный элемент плёнка – устройство, изготовленное с применением плёнки, имеющее малую толщину (порядка 0.15-0.5 мм.) и обеспечивающее выработку равномерного теплового потока по всей поверхности нагревательного элемента. Гибкие плёночные нагреватели, выполненные по тем же технологиям что и на металле, имеют свою специфику применения. Она заключается в том, что в силу особенностей изгиба без потерь работоспособности допускается возможность функционирования (движение в состояние одного уровня, связанное лишь с перераспределением элементов, функций и связей в объекте) их там, где устройства на жёсткой подложке неспособны выполнить поставленные перед ними задачи. Благодаря своей малой толщине они могут устанавливаться на плоскости, имеющие сложную конфигурацию различной формы гарантируя тем самым эффективную работу по передаче тепла. По сравнению с гибкими электрообогревателями произведёнными методом травления они имеют низкую себестоимость, что обеспечивает широкое применение в различных конструкциях. Особенности изготовления позволяют создавать электронагреватели не только различной конфигурации, но и с требуемым напряжением питания для различных мощностей. Надёжность эксплуатации при больших вибрациях (механические колебания механизмов, характеризующиеся такими параметрами, как частота, амплитуда, колебательная скорость, колебательное ускорение) позволяет использовать их на различном оборудовании в широких областях промышленности. На фото плёночные нагревательные элементы с выставки город Москва 2021 год.

Работа нагревательного элемента

Работа нагревательного элемента это процесс генерации тепла предназначенного для обеспечения работы нагревательного элемента при прохождении термодинамических процессов (изменение макроскопического состояния термодинамической системы). В данном разделе мы постараемся рассмотреть работу на примере функционирования нагревательных элементов на основе токопроводящей пасты имеющих плоскую поверхность. Плоские нагреватели, произведённые по энергосберегающей технологии, нашли широкое применение в бытовой и производственной технике. Они имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать в процессе их эксплуатации. Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей показывает насколько быстрее по сравнению с керамическими нагревателями, плоский нагреватель на металле меняет своё удельное сопротивление (физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока) в соответствии с ростом температуры. Такой электронагреватель, находясь ещё в холодном состоянии, обладает малым сопротивлением, потребляя большие значения токов, генерируя при этом высокую мощность. Быстро разогревшись до расчётной температуры рабочего режима, он переходит на потребление тока рекомендованного в сертификате соответствия. При этом происходит превышение потребляемой мощности (численная мера количества электрической энергии, необходимой для функционирования нагревателя) на 20% больше чем указано в документах на эксплуатацию. Этот цикл занимает порядка 20 – 30 секунд, что необходимо учитывать при проектировании схемы электрической разводки увеличивая запас по мощности не менее чем на 20% и если нужно устанавливать в цепи питания температурное реле с необходимым ресурсом по току. График работы нагревательного элемента, показывающий ход изменения удельного сопротивления и температуры нагрева в момент подачи на нагреватель электрического напряжения представлен на рисунке. Анализ работы плоского нагревательного элемента показывает, что в первые секунды после включения интенсивность роста температуры, а так же процесс изменения сопротивления (тока в электрической цепи) идут обратно пропорционально по экспоненциальному закону. Из чего можно прийти к заключению о низкой инерционности (система стремится сохранить неизменным своё состояние) вхождения в рабочий режим. Эти свойства позволили эффективно использовать такие устройства на основе токопроводящих паст в авиационной и космической промышленности.

Виды нагревательных элементов

Виды нагревательных элементов – комплекс черт, технических характеристик и физических параметров, присущих нагревательным элементам различных видов работающих на электрической энергии. Нагреватели в зависимости от своего назначения, конфигурации объекта которому передаётся тепло и способа передачи тепловой энергии делятся на различные виды. По виду преобразования электрической энергии они делятся на резистивный, вихревой индукционный нагреватель, высокочастотный нагреватель. В этом разделе рассмотрим резистивные нагревательные элементы.

Они делаются из проволочной спирали или ленточной полосы, изготавливаемые из сплавов имеющие большое удельное сопротивление (физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока) либо в виде резистивной дорожки произведённой методом трафаретной печати (воспроизведение различных изображений при помощи трафаретной печатной формы). Эти нагревательные элементы подразделяются на 2 вида: открытые и закрытые. К первому виду относятся те, которые не имеют защиту от удара электрическим током, то есть отсутствует изоляция. Нагреватели, снабжённые защитой от пробоя, типа трубчатый нагреватель, относятся к закрытым видам. Мы с Вами попробуем детально рассмотреть нагревательные элементы нового вида, изготовленные по микроэлектронной технологии с использованием токопроводящей пасты и безопасным предохранением от окружающей среды диэлектрической плёнкой. К разновидности этих нагревателей можно отнести подогрев зеркал заднего вида автомобиля. Они показывают огромную стабильность к скачкам напряжения, наружным вибрациям, имеют маленький вес и готовы выгибаться в соответствии с профилем нагреваемого объекта.

Нагревательный элемент нового вида

Нагревательный элемент нового типа создан на на основе токопроводящей пасты. Он представляет собой тонкий и высокоэффективный нагреватель, который потребляет мало энергии.

Тепловыделяющие приборы на плёнке, нержавеющей стали или керамике, изготовленные по принципу плёночной технологии, — это идеальное решение для широкого круга технических задач.

Гибкие нагреватели нового класса имеют толщину от 0,15 до 0,5 мм, что сравнимо с толщиной полиэтиленовой плёнки для упаковки мебели. Для плоских устройств толщина составляет около 1-3 мм, что соответствует толщине картона для упаковки транспортируемого оборудования. Благодаря гибкости нагреватель может принимать любую форму, поэтому его можно установить на любую поверхность со сложным профилем.

Примером такого использования может служить круглый электронагреватель в современном электрочайнике. Также возможно производство нагревателей с одинаковыми геометрическими параметрами, но разной удельной мощностью по всей площади поверхности.

Нагревательные элементы нового типа идеально подходят там, где требуется строгий и равномерный температурный режим рабочей области. Благодаря малой массе они позволяют быстро реагировать на изменение теплового режима.

Поддержание процесса передачи тепла с помощью терморегулятора и мгновенная реакция термоэлементов на изменение подаваемой мощности делают возможным установку практически постоянной температуры по всей плоскости обогрева. Это значительно влияет на качество выпускаемой продукции и сокращает расходы производства.

На снимке представлены различные виды нагревательных элементов с выставки 2021 года в Москве.

Нагреватели с повышенным КПД

КПД нагревателя — это показатель эффективности работы системы, который вычисляется по формуле:

   КПД = (Выходная теплота / Затраченная энергия) * 100%

Выходная теплота — это количество теплоты, полученное в результате работы системы. Затраченная энергия — это количество энергии, которое было использовано для работы системы.

Следующая формула связана с расчётом количества теплоты, полученного от источника или устройства:

   Q = Qвх * КПД

Здесь Q — количество теплоты, полученное от источника, Qвх — количество теплоты, поданное на вход, а КПД — коэффициент полезного действия источника теплоты.

Третья формула связана с определением количества теплоты, переданного от источника в среду:

   Qвх = Q * КПД

В этой формуле Qвх — количество теплоты, переданное от источника в среду, Q — количество теплоты, полученное от источника, а КПД — коэффициент полезного действия источника теплоты.

Нагреватели новых видов, произведенные по энергосберегающей технологии, значительно отличаются от обычных электронагревателей. В них тепло равномерно поступает на теплопоглощающую поверхность без препятствий. В большинстве обычных термоэлементов, например, трубчатых нагревателях, энергия подаётся на рабочую плоскость через керамический изолятор, который является обязательной частью устройства. Изолятор выступает в роли потребителя тепла, что снижает КПД устройства и не позволяет создать непрерывное тепловое поле.

Технология плоского нагревателя нового вида позволяет осуществить непосредственную перекачку тепла к объекту без дополнительных препятствий. Это позволяет экономить потребляемую мощность в пределах 25–30%, что резко увеличивает КПД устройства. Увеличение производительности работы, в свою очередь, снижает стоимость производимого продукта и нагрузку на электрические сети.

Нагреватели с повышенным КПД имеют небольшую толщину и высокую теплоотдачу при незначительном весе. Это позволяет им занимать второстепенный объём в устройствах, что даёт возможность наилучшим образом распределять механизмы в рабочем объёме или сокращать общие габариты аппаратуры.

Преимущества нагревательных элементов, созданных по новой технологии, очевидны. Они позволяют воплотить в жизнь ощутимую экономию энергоресурсов, снижая издержки на производство продукта, что важно для увеличения производительности труда.

Заказать нагреватель можно как готовый с требуемыми техническими параметрами, так и созданный по личному чертежу. Для этого необходимо заполнить заявку на нагреватель и выслать её в представительство на электронный адрес: onyxspb@mail.ru.

Представительство фирмы в Санкт-Петербурге (тел. 8(812)452 45 40 или 8 931 354 20 56) принимает заявки на нагреватель и передаёт их в конструкторское бюро. Конструктор подбирает наиболее подходящий нагреватель, наличествующий на этот момент в производстве, или рекомендует разработку нового, если характеристики предложенного не устроят клиента.

При этом конструктор делает расчёт и сообщает покупателю цену, а также сроки производства нагревателя. За заказчиком остаётся право на принятие решения о продолжении работы или отказа от дальнейшего сотрудничества. Доставка выбранного нагревателя возможна в Екатеринбург, Нижний Новгород, Новосибирск, Челябинск, Томск, Саратов и другие города РФ.