Нагревательные элементы

Нагревательные элементы - это устройства, которые вырабатывают тепло и используются для решения технических задач. Они бывают разных форм и размеров, потребляют разное количество энергии и применяются в различных установках, где требуется тепло.

Нагревательные элементы могут быть выполнены из разных материалов: в виде спирали из проволоки, металлической пластины или многослойной конструкции, состоящей из нескольких слоёв, уложенных в определённом порядке.

Эти материалы определяют принцип работы нагревательных элементов, которые широко используются в различных технических устройствах, связанных с тепловыми процессами. Особенно популярны плоские нагреватели, которые обеспечивают равномерный нагрев по всей поверхности объекта.

Гибкие нагреватели идеально подходят для конструкций с неровной поверхностью, позволяя равномерно распределять тепло независимо от изгибов нагреваемого механизма.

В суровых климатических условиях, где любое экстремальное погодное явление может привести к серьёзным последствиям, многие технические устройства оснащаются системами принудительного подогрева. Это позволяет им работать без перебоев, поскольку снижение температуры окружающей среды может негативно сказаться на работе электронных компонентов и привести к их выходу из строя, что в экстренных ситуациях может стать причиной гибели людей.

Тепловые процедуры, такие как физиотерапия или тепловая терапия, которые повышают внутреннюю температуру тела человека, играют важную роль в повседневной жизни. Они создают комфортные условия для работы и отдыха, повышая производительность труда.

Большинство технических процессов требуют нагрева различных поверхностей, газов или жидкостей. В таких случаях электрические нагреватели становятся незаменимыми. Они значительно ускоряют и улучшают термические операции.

Таким образом, нагревательные элементы играют важную роль в нашей жизни и способствуют развитию технологий.

Что такое нагревательный элемент

Нагревательный элемент представляет собой техническое устройство, разработанное для нагрева физических веществ. Его форма может варьироваться в зависимости от условий и способов применения в различных термических процессах. Нагревательные элементы могут быть изготовлены из различных токопроводящих материалов.

В бытовых устройствах широко применяются нагревательные элементы, которые обеспечивают требуемый уровень нагрева для осуществления различных технических процессов, связанных с использованием тепла.

Нагрев физического вещества представляет собой процесс, в ходе которого материал или тело повышают свою температуру за счёт внутренней энергии или внешнего источника. Этот процесс требует значительных энергетических затрат, поэтому крайне важно использовать нагревательные элементы, которые будут не только эффективными, но и надёжными в эксплуатации. Это позволит обеспечить высокую рентабельность продукции, основанной на потреблении тепла.

Тепловые нагревательные элементы

Тепловые нагревательные элементы преобразуют электрическую энергию в тепло.

Когда электрический ток проходит через различные преобразователи, он превращается в тепловую энергию — форму энергии, которая зависит от движения атомов, молекул или других частиц вещества.

Тепловая энергия находит широкое применение в нагреве твердых материалов, жидкостей и газов. Этот процесс осуществляется посредством конвекции — переноса тепла путем перемешивания в жидких или газообразных средах, теплопроводности — передачи тепла от более теплой части тела к более холодной, или излучение — процесса испускания и распространения энергии в виде электромагнитных волн.

Таким образом, тепло можно направлять туда, где оно необходимо, избегая ненужного расхода электроэнергии.

При проведении термических процессов, таких как изменение температуры материала деталей во времени, важно обеспечить равномерность вырабатываемого тепла. Это позволяет достичь высокого качества производимой продукции.

Для достижения равномерного теплового потока через всю поверхность обогревателя используются тепловыделяющие поверхности плоской формы с небольшими расстояниями между витками нагревательного провода. Однако создание таких элементов с небольшими интервалами между проводами может быть проблематичным из-за возможного электрического пробоя — резкого возрастания тока в твердом, жидком или газообразном диэлектрике или полупроводнике. В таких случаях необходимо усиливать изоляцию, что приводит к увеличению расстояния между витками и может вызвать неравномерное распределение тепла по всей площади.

Далее будут представлены примеры эффективного применения нагревательных элементов новых видов при решении технических задач с использованием тепловых процессов.

Материалы нагревательных элементов

Материалы нагревательных элементов — это совокупность химических материалов из периодической таблицы, которые обладают выраженными металлическими свойствами, а также высокой электропроводностью и теплопроводностью. Эти уникальные свойства делают их незаменимыми для производства нагревательных элементов, которые играют ключевую роль в тепловых процессах, происходящих в промышленном производстве.

Тепловыделяющие поверхности играют ключевую роль в повышении температуры, что в свою очередь изменяет макроскопическое состояние термодинамической системы. В зависимости от условий эксплуатации, для изготовления нагревательных элементов используются различные материалы, состав которых подбирается в соответствии с требованиями конкретного применения.

Производительность и долговечность нагревательных элементов во многом зависят от свойств материала, из которого они изготовлены. Материал должен обладать следующими характеристиками:

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 сопротивлением. Материалы для нагревательных элементов представляют собой прецизионные сплавы на основе хрома и никеля, а также сплав фехраль.

Оптимальным считается сочетание никеля и хрома в пропорции 80/20, так как оно обеспечивает высокое сопротивление и при первом нагреве образует защитный слой оксида хрома, который предотвращает окисление поверхности. Из этого сплава изготавливают большинство плоских термических приборов, таких как нагреватели на металле или керамике. В таких случаях спираль с высоким сопротивлением помещается в керамику или запрессовывается в электрический изолятор и закрывается металлической оболочкой. В результате получается греющая плоскость, которая испускает неравномерный тепловой поток, что связано с неоптимальной формой поверхности.

Технология нагревательных элементов нового типа значительно отличается от традиционных. Соответственно, меняются и материалы, используемые для их изготовления.

В состав материала нагревательного элемента входят: основа (металл, керамика или плёнка), диэлектрическая паста, контактная паста, резистивная плёнка и защитный диэлектрический слой. Тепловыделяющая поверхность представляет собой набор многослойных схем, уложенных в определённом порядке на подложке.

Изготовление нагревательных элементов

Изготовление нагревательных элементов — это сложный процесс, направленный на создание высококачественных устройств, обладающих превосходными техническими характеристиками и высокой надёжностью в использовании.

Одним из способов решения проблемы неравномерного распределения тепла является метод травления фольги. Этот процесс позволяет удалить поверхностный слой материала с заготовки под воздействием химических веществ.

Применение метода травления фольги в производстве гибких тепловыделяющих устройств позволяет создавать электронагреватели, которые точно соответствуют всем требованиям заказчика. С высокой вероятностью большинство требований будут удовлетворены, а электрообогреватель будет обладать оптимальными электрическими характеристиками.

Гравированные электрические нагреватели из фольги обычно изготавливаются из тех же сплавов, что и проволочные обогреватели, но с использованием фотоцинкографического метода. Этот процесс начинается с непрерывного листа металлической фольги и завершается созданием сложного резистивного рисунка.

Однако, данный метод отличается высокой стоимостью, что делает его слишком затратным для производителей.

Устройства, изготовленные по энергосберегающей технологии на основе токопроводящих паст, также обеспечивают равномерное распределение тепла. При этом расходы на производство нагревательных элементов с превосходными техническими характеристиками и высокой надёжностью в работе значительно ниже.

Свойства нагревательных элементов

Свойства нагревательных элементов - совокупность характеристик, которыми обладают устройства, применяемые в различных термических процессах. Эти свойства зависят от химического состава материалов, из которых они изготовлены, технологии производства и условий окружающей среды, в которых используется нагреватель.

Большинство нагревательных элементов производятся из проволоки с высоким сопротивлением. Это пассивные устройства, в которых электрическая энергия необратимо преобразуется в другие виды энергии, такие как тепло, механическая энергия или свет. Такие элементы способны нагреваться до высоких температур, но не могут обеспечить равномерный тепловой поток, что может негативно сказаться на качестве производимой продукции.

Однако существуют плоские термоэлементы, изготовленные по энергосберегающей технологии. Они обеспечивают надежную работу нагревательного элемента и создают равномерный нагрев по всей поверхности. Кроме того, они позволяют значительно экономить электроэнергию по сравнению с другими типами электрообогревателей.

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 совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространствастатистическая 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

Равномерное нагревание поверхности физического объекта — это процесс, при котором температура нагрева одинакова как на всей поверхности нагревателя, так и на поверхности, поглощающей тепло.

Устройства, разработанные с использованием новой технологии, обладают уникальными свойствами, позволяющими создавать сплошное тепловое поле — совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства.

Такая схема нагревательного элемента, используемая в этих устройствах, обеспечивает равномерный нагрев рабочей поверхности, которая поглощает тепло. Эти устройства могут быть выполнены как в жёстком варианте на металлической или керамической основе, так и в гибком варианте с подложкой из полистирола. Нагрев происходит по всей поверхности, что обеспечивает равномерное излучение тепла — это особенно важно для термических процессов, требующих создания сплошного теплового поля без значительных колебаний.

Небольшая толщина термоэлементов этих типов — около 1 мм для металлических и 0,15 мм для плёночных — позволяет избежать лишних потерь электрической и тепловой энергии в процессе эксплуатации, обеспечивая равномерное тепловое поле по всей поверхности нагревательного элемента.

Инерционность, то есть скорость набора заданной температуры, у этих устройств значительно меньше, чем у других видов, что позволяет использовать их там, где требуется быстрый и стабильный нагрев заготовки.

Способность этих электрообогревателей выдерживать высокие вибрации и создавать равномерный нагрев делает их незаменимыми в авиационной и космической технике.

На фотографии представлен плоский электронагреватель с равномерным тепловым потоком, изготовленный на основе токопроводящей пасты.

Нагревательный элемент плёнка

Нагревательный элемент, выполненный в виде тонкой плёнки, представляет собой уникальное устройство. Его толщина составляет всего лишь 0,15–0,5 мм, что позволяет равномерно распределять тепло по всей поверхности.

Гибкие плёночные нагреватели, созданные по той же технологии, что и металлические, обладают рядом уникальных свойств, которые делают их особенно привлекательными для использования. Они могут функционировать в условиях, где устройства на жёсткой основе не справляются со своей задачей. Благодаря своей гибкости, плёночные нагреватели могут изгибаться, не теряя своей работоспособности.

Их малая толщина позволяет устанавливать их на поверхности сложной формы, что обеспечивает эффективную передачу тепла.

По сравнению с гибкими электрообогревателями, созданными методом травления, плёночные нагреватели отличаются более низкой стоимостью, что делает их более доступными для применения в различных конструкциях.

Уникальная технология изготовления позволяет создавать нагреватели различной конфигурации и с разным напряжением питания, что открывает широкие возможности для их использования.

Надёжность работы при больших вибрациях делает плёночные нагреватели незаменимыми в различных областях промышленности.

Работа нагревательного элемента

Работа нагревательного элемента Работа нагревательного элемента заключается в выделении тепла, необходимого для его функционирования в процессе термодинамических изменений. В данном разделе мы подробно рассмотрим работу нагревательных элементов на основе токопроводящей пасты имеющих плоскую поверхность.

Плоские нагреватели, изготовленные по энергосберегающей технологии, широко используются в бытовой и промышленной технике. Однако при их эксплуатации необходимо учитывать некоторые важные особенности.

Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей показывает, что плоские металлические нагреватели быстрее меняют свое удельное сопротивление при повышении температуры, чем керамические. Удельное сопротивление — это физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока.

Когда нагревательный элемент холодный, его сопротивление невелико, что приводит к повышенному потреблению тока и большему выделению тепла. Однако по мере нагрева сопротивление возрастает, и элемент начинает потреблять ток, рекомендованный в сертификате соответствия. При этом потребляемая мощность может быть на 20% выше, чем указано в документации.

Этот процесс занимает около 20–30 секунд, что необходимо учитывать при проектировании электрической схемы. Важно обеспечить запас мощности не менее 20% и установить в цепи питания температурное реле с достаточным запасом по току.

На рисунке представлен график работы нагревательного элемента, демонстрирующий изменение удельного сопротивления и температуры при подаче электрического напряжения.

Анализ работы плоского нагревательного элемента показывает, что в первые секунды после включения температура и сопротивление (а также ток в электрической цепи) растут экспоненциально. Это свидетельствует о том, что нагреватель быстро достигает рабочего режима. Именно поэтому устройства на основе токопроводящих паст широко используются 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.

Эти нагреватели могут быть выполнены в виде проволочной спирали или ленты, изготовленной из сплавов с высоким удельным сопротивлением. Это означает способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Также они могут представлять собой резистивную дорожку, созданную методом трафаретной печати — способом воспроизведения изображений с помощью специальной печатной формы.

Резистивные нагреватели подразделяются на два основных типа: открытые и закрытые. Открытые нагреватели не имеют защиты от поражения электрическим током, то есть, не изолированы. Закрытые, такие как трубчатые нагреватели, обладают защитой от пробоя.

Кроме того, мы обратим внимание на новый тип нагревателей, изготовленных по микроэлектронной технологии с использованием токопроводящей пасты и защищенных от окружающей среды с помощью диэлектрической пленки. К этому типу можно отнести нагреватель для подогрева зеркал заднего вида автомобиля. Они отличаются высокой устойчивостью к перепадам напряжения, вибрациям, имеют небольшой вес и могут изгибаться, принимая форму 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 (способность материала приобретать свою первоначальную форму без появления трещин и изломов после удаления деформирующих усилий) 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 (отношение вырабатываемой или потребляемой устройством мощности к другому конструктивному показателю) 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 (сочетание процессов и воздействий, под влиянием которых формируется нагрев поверхности).

Поддержание процесса передачи тепла (способ передачи внутренней энергии от тела к телу без совершения работы) 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 (коэффициент полезного действия) 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 (энергия , которую получает или теряет тело при теплопередаче), полученного от источника или устройства:

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:

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 (электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых разнородных проводников или полупроводников, служащая для преобразования тепловой энергии в электрическую или наоборот), например, трубчатых нагревателях, энергия подаётся на рабочую плоскость через керамический изолятор, который является обязательной частью устройства. Изолятор (Материал, в котором электрический ток не течет свободно. Изоляторы имеют более высокое удельное сопротивление, чем полупроводники или проводники.) 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 (численная мера количества электрической энергии, необходимой для функционирования электроприбора или преобразуемой им в процессе функционирования) 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 (эффективное использование энергоресурсов за счёт применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, приемлемы с экологической и социальной точек зрения, не изменяют привычного образа жизни), 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.

Плоские нагреватели

Производство нагревательных элементов

Гибкие нагреватели

Подогрев зеркал заднего вида автомобиля

Инфракрасные обогреватели

Отопление производства

Применение нагревательных элементов

Заказ нагревателя