Подогрев зеркал	Нагревательные элементы	Гибкие нагреватели	Заказать нагреватель	КАРТА САЙТА
Главная » Нагревательные элементы » Плоские нагреватели

 

Плоские нагреватели

Оглавление

 

• Плоские нагреватели на металле
•     Технические характеристики и достоинства плоских нагревателей

• Плоские нагревательные элементы
•     Технология плоского нагревателя
•     Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей
•     Анализ работы плоского нагревательного элемента

• Основные параметры плоских нагревателей
•     Преимущества плоских нагревателей

• Крепление плоских нагревателей

Плоские нагреватели - это устройства, которые используются для создания равномерного теплового потока и передачи его в окружающую среду. Они имеют плоский внешний вид и могут быть изготовлены из различных материалов, таких как металл, керамика, силикон, стекловолокно или полиэтиленовая пленка.

В зависимости от конкретных условий использования, поверхность теплообмена может быть выполнена в различных формах. Это открывает широкие возможности для применения этих устройств в самых разных областях, где требуется равномерное распределение тепла.

 

Плоские нагреватели представляют собой универсальные устройства, которые находят применение в различных технических сферах. Их разнообразие форм и размеров позволяет адаптировать их к любым поверхностям, нуждающимся в нагреве.

Эти приборы отличаются низким энергопотреблением, обеспечивая равномерный нагрев и быстрый подъем температуры. Они могут быть использованы для экономичного нагрева различных поверхностей с помощью устройства, генерирующего тепло.

 

Эффективность работы плоских нагревателей зависит от ряда технических параметров. Для получения нагревателей с повышенным КПД (коэффициента полезного действия) необходимо учитывать кривизну нагреваемой поверхности и подбирать геометрию устройства в соответствии с ней. Толщина нагревателя может варьироваться в зависимости от технологии изготовления, и чем тоньше источник тепла, тем выше будет КПД.

Правильная установка плоского нагревателя на механизме, который будет нагревать деталь, является важным фактором. Чтобы избежать потерь тепла, необходимо увеличить теплопроводность стыка между нагревательным элементом и поверхностью, поглощающей тепло.

Скорость нагрева нагревательного элемента — это еще один ключевой параметр. Чем ниже оптимальная температурная инерция (свойство объекта изменять свою скорость при воздействии на него одной и той же силы), тем быстрее будет работать устройство и тем выше будет его производительность.

В таблице представлены сравнительные характеристики термодиффузионных поверхностей плоских нагревателей, изготовленных по различным технологиям. Анализ их рабочих характеристик выявил преимущества тепловых элементов, созданных на основе токопроводящей пасты.

 

Плоские нагреватели на металле

Плоские металлические нагревательные элементы представляют собой инновационный тип нагревательных элементов, которые создаются путем нанесения токопроводящего состава на металлическую подложку с узором, образующим сложную цепь электрического сопротивления. Эта цепь надежно изолирована как от основы нагревателя, так и от внешней среды.

Эти нагреватели состоят из металлической или керамической основы с диэлектрическим покрытием, толщиной от 1 до 3 мм, которая может иметь практически любую геометрическую форму. На поверхность основы наносится узор с помощью трафаретной печати, а затем на неё — токопроводящий состав.

 

После термической обработки получается развернутая цепь электрического сопротивления плоского ТЭНа, надежно изолированная от поверхности нагрева и окружающей среды. Изоляция обеспечивается специальным диэлектрическим покрытием толщиной 200 мкм, которое наносится на нагреваемую поверхность.

 

Такие нагревательные элементы находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, станкостроительную, автомобильную, пищевую и медицинскую. Они используются там, где требуется экономичный нагрев рабочей поверхности при ограниченных размерах нагревательного элемента.

Наша компания в Санкт-Петербурге принимает заказы по телефонам 8(812) 452 45 40; 8(931) 354 20 56 и предлагает услуги по изготовлению плоских электрических нагревателей по чертежам заказчика. Наши специалисты готовы проконсультировать вас по всем вопросам, связанным с созданием и расчётом таких устройств на металлической основе для производственных установок.

Мы осуществляем доставку нагревателей в Екатеринбург, Новосибирск, Красноярск, Мурманск и другие города России.

Технические характеристики и достоинства плоских нагревателей

Разработка и изготовление:

  По техническим требованиям Заказчика от 1 штуки.

Технические характеристики:

  Конструкция: - стальная пластина толщиной 1 - 4 мм.; максимальный размер - 200 - 300 мм.

  Напряжение питания - 12 - 380 В.

  Род тока - переменный, постоянный.

  Рабочая температура - до 450 °С.

  Мощность нагревательного элемента - до 40 Вт/см².

  Условия эксплуатации: - воздушная среда при температуре (-80 °С) до +450 °С.; - вакуум.

Область применения – Медицинская промышленность; Автомобильная; Машиностроение; Приборостроение; Специальная техника.

Достоинства:

♦ плоская поверхность;

♦ толщина металла - 1 - 4 мм.

♦ минимальная инерционность;

♦ равномерный нагрев по всей поверхности;

♦ экономия электроэнергии при эксплуатации до 25%;

♦ устойчивость к вибрации;

♦ экологическая безопасность;

♦ высокая надёжность и долговечность.

На снимке виды плоских нагревателей представление на выставке город Москва в 2021 году.

Плоские нагревательные элементы

Плоские нагревательные элементы представляют собой устройства, созданные с использованием современных микроэлектронных технологий. Их отличительной чертой является способность равномерного нагрева поверхности элемента.

В основе этих элементов лежит пара проводников с низким сопротивлением, которые служат для подвода энергии. Также имеется проводник с высоким сопротивлением, который служит нагревателем. Этот проводник отделён от поверхности, которую требуется нагреть, с помощью изолятора.

Конструкция элемента должна быть устойчивой к рабочей температуре нагревателя. Это достигается за счёт выбора материала нагревателя, который должен быть не только термостойким, но и обладать высоким сопротивлением.

Наиболее распространёнными материалами для нагревателей являются нихром и фехраль. Они активно используются в различных бытовых приборах, таких как кипятильники, паяльники, обогреватели, плитки и утюги.

Большинство современных тепловыделяющих приборов имеют схожую конструкцию: электрическая спираль, запрессованная в электроизоляционный керамический материал и заключённая в металлическую оболочку. Эта оболочка служит рабочей поверхностью, которая передаёт тепло поверхности, подлежащей нагреву.

Технология плоского нагревателя

Нагреватели с плоской поверхностью функционируют иначе. В их основе лежит резистивный слой, который особым образом наносится на одну из сторон металлической (нержавеющей) пластины толщиной 1–3 мм. Другая сторона пластины служит рабочей поверхностью, отвечающей за выделение тепла.

Такая схема нагревательного элемента позволяет эффективно использовать тепловые потоки и минимизировать потери тепла. Это открывает двери к созданию нагревательного элемента нового вида с высоким коэффициентом полезного действия.

Давайте сравним, насколько эффективно используется электрическая энергия при передаче тепла через изотермическую поверхность (поверхность, на которой все точки имеют одинаковую температуру) в единицу времени (теплопроводность) с помощью обычного электрического нагревательного прибора (керамического нагревателя) и плоского нагревателя. Предположим, что обе поверхности нагревают одну и ту же массу.

Конструкция плоских нагревателей может быть представлена следующим образом:

Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей

Нагревательные элементы на керамике имеют конструкцию, представленную на рисунке №4 (греющий элемент – спираль из нихрома). На рисунке №5 схема плоского ТЭНа с токопроводящим резистивным слоем.

Где:

♦ S ; S' - площадь теплопроводящей стенки;

♦ Q ; Q' - количество теплоты, переданное через теплопроводящие стенки (тепловой поток);

♦ d ; d' - толщина теплопроводящего слоя;

♦ t1 ; t2 ; t1'; t2 - температуры поверхностей.

Для более точного сравнения, предположим, что площадь S и температура t1 одинаковы для обоих типов нагревателей: S = S', а t1 = t1'. В этом случае количество теплоты (энергии, которую система получает или отдаёт в процессе теплообмена) через теплопроводящую стенку будет одинаковым для обоих типов нагревателей: Q = Q'.

Теплопроводность — это свойство, которое характеризует скорость выравнивания температуры в разных частях тела или количество тепла, которое переносится при определённой разнице температур и толщине стенок.

Когда нагреватель включается, электрическая энергия преобразуется в тепловую (энергию движения молекул), и начинается процесс теплообмена — физический процесс передачи тепла от более горячего тела к менее горячему. Тепло переносится к поверхности, которая, в свою очередь, отдаёт его другой поверхности, нагревая её.

Для упрощения расчётов примем, что теплообмен происходит в основном за счёт теплопроводности. Тогда необходимое количество тепла для заданных условий можно рассчитать по формуле:

Q = (λ/d) * (t2 - t1) * S

Где:

♦ λ - коэффициент теплопроводности;

♦ λ/d - термическое сопротивление Вт/м²;

♦ d - толщина слоя (метры);

♦ t2 - t1 - разность температур между тепловыделяющей и теплоотдающей поверхностью.

Применительно к нашим условиям количество передаваемого тепла для различных типов нагревателей можно представить в виде:

Q = (λ/d) * (t2 - t1) * S - тепловыделяющий прибор Рис.№4;

Q' = (λ'/d') * (t2' - t1') * S' - тепловыделяющий прибор Рис.№5.

Преобразуя равенства при условии Q = Q' и S = S' получим:

(λ/d) * (t2 - t1) = (λ'/d') * (t2' - t1')

Где:

♦ λ - коэффициент теплопроводности электроизоляционного керамического материала = 2,5 Вт/м.;

♦ λ' - коэффициент теплопроводности металла (сталь нержавеющая) = 40 Вт/м.;

♦ d - толщина слоя электроизоляционной керамики = 0,005 м.;

♦ d' - толщина слоя металла = 0,0015 м.;

Проведём расчёт термического сопротивления для каждого вида нагревательного элемента.

Керамические нагреватели обладают термическим сопротивлением - λ/d = 2,5/0,005 = 500;

Плоские нагреватели на металле имеют термическое сопротивление - λ'/d' = 40/0,0015 = 26666;

Т.е. термическое сопротивление плоского нагревательного элемента на металле в 53 раза больше чем на керамике, поэтому, что бы равенство было сохранено, необходимо представить его в следующим виде:

(λ/d) * 53 = (λ'/d')

Таким образом при минимальном значении заданной разности температур между тепловыделяющей и теплоотдающей поверхностью плоского нагревателя равного 2 °С будут справедливы следующие соотношения:

(t2 - t1) = 106; (t2' - t1') = 2

Если принять температуру обоих теплоотдающих поверхностей t1 и t1' равной 300 °С, то температуры тепловыделяющих поверхностей t2 и t2' будут иметь следующие значения:

t2 = 106 + t1 = 406

t2' = 2 + t1 = 302

Для определения электрической мощности (физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии) затрачиваемой на разогрев тепловыделяющей поверхности нагревателя до определённой температуры используем закон Стефана-Больцмана применительно к тепловым излучениям:

Ф = σ * S * T⁴

Где:

♦ Ф - поток излучения (мощность)вт.м²;

♦ σ - коэффициент пропорциональности (постоянная Стефана- Больцмана) = 5,67 * 10^-8 * вт. * м^-2 * К^-4;

♦ S - площадь поверхности м²;

♦ T⁴ – абсолютная температура тела К (Кельвина).

В качестве источника теплового излучения мы будем использовать условный нагревательный элемент, который представляет собой поверхность площадью 100 квадратных сантиметров. Этот элемент находится в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух.

Когда к нагревательному элементу подводится электрическая энергия, она почти полностью преобразуется в тепло. Поскольку в баллоне нет воздуха, передача тепла через конвекцию (перенос энергии струями и потоками вещества) и теплопроводность воздуха невозможна.

Поэтому поток излучения (Ф) можно определить косвенно, приравняв его к электрической мощности Ф = I * U, где I – сила тока; U – напряжение на нагревателе. Тогда справедливо будет равенство:

I * U = σ * S * T⁴

Или выделяемая температура зависит

Используя данное равенство, построим график зависимости температуры исследуемого нагревателя от выделенной на нём мощности.

Ф=P=I*U (Вт.)

Из проведённых выше вычислений видно, что для поднятия температуры условного нагревателя до 406 °С необходимо затратить 250 ватт, а до 302 °С - 130 ватт электроэнергии, что для данного случая составляет экономию порядка 48% потребляемой мощности.

Анализ работы плоского нагревательного элемента

Анализируя график зависимости температуры исследуемого нагревателя от выделенной мощности, можно сделать вывод, что из-за неравномерности флуктуации температуры, распределение теплового потока на нагревателе также изменяется неравномерно. То есть, с повышением температуры, мощность, необходимая для увеличения нагрева на один градус, существенно возрастает.

Следовательно, работа нагревательного элемента, созданного по новой технологии, обеспечивает ускоренный набор требуемой температуры при снижении задействованной мощности.

Вывод:

1.  Если возможно достичь того же результата в производственном процессе с применением нагрева при меньших температурах тепловыделяющих поверхностей, то в целях сбережения энергетических ресурсов желательно применять менее энергозатратные плоские ТЭНы.

2.  Использование плоских нагревателей в машиностроении способствует значительному снижению затрат на потребляемую мощность (порядка 40-50%, на практике больше), тем самым повышает надежность и срок службы оборудования.

Основные параметры плоских нагревателей

Технические характеристики:

♦ напряжение питания - от 12-380 В;

-  удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя. Ом/квадрат 0,05 - 50;

-  изменение сопротивления в процессе нагрева эксплуатации за 5000 часов, % - не более 5%;

-  напряжение пробоя - не менее 1200 В;

-  удельная мощность рассеивания - 40 Вт/см ²;

-  максимальная рабочая температура - 500 °С;

Возможности:

1. Нагреватели плоские, созданные по технологии плёночного нагревателя, обеспечивают получение равномерного теплового потока на теплоприемнике с минимальными изменениями температур.

2. Практическое отсутствие теплоизоляции при передачи тепла от плёночной резистивной дорожки к подложке обеспечивает низкую инерционность конструкции.

3. Метод создания позволяет получить электрические тепловыделяющие поверхности практически любой конфигурации на плоскости и малой толщиной (на плёнке порядка 0,15 - 0,5 мм.) (на нержавейке 1 - 3 мм.).

4. Удельная мощность рассеивания нагревательного элемента составляет (на плёнке до 0.12 Вт/см.2) (на металле до 40 Вт/см.2).

5. Рабочий температурный режим нагрева (на плёнке до 90 °С) (на нержавейке до 500 °С).

6. Обладают высокой стабильностью к вибрациям и скачкам напряжения.

Преимущества плоских нагревателей

1.  Так как плоские ТЭНы имеют в своей основе металл, то возможна разработка плоского нагревателя, который по конфигурации в плоскости повторяет нагреваемую поверхность, в результате чего достигается наиболее эффективная передача тепла от теплоотдающей поверхности к нагреваемой поверхности, что значительно снижает потери.

2.  Существенно сокращаются вес и габариты (толщина металла 1-3 мм.) нагревательного элемента по аналогии с обычным.

3.  Из-за высокой теплопроводности металла, плоские нагреватели обладают более низкой инерционностью.

4.  Применение плоских нагревателей в производственном процессе позволяет снизить расход электроэнергии на 40-50%, что повышает экономическую результативность.

5.  Перспектива производства нагревательных элементов повторяющих форму нагреваемой поверхности ощутимо снижает энергетические потери.

6.  При минимальных активных потреблений на нагрев можно извлечь такой же результат в производственном цикле, как и при использовании обычного обогревателя.

Недостатки:

1.  Температура токопроводящего резистивного слоя не превышает 500 °С что обусловлено характеристиками паст применяемых при производстве.

2.  Стоимость плоских нагревателей выше в 2-3 раза по сравнению с обычными нагревателями, но из-за высокого экономического эффекта окупаемость составляет от 6 до 12 месяцев.

Крепление плоских нагревателей

Существует три метода крепления плоских нагревателей к поверхности, требующей обогрева.

Первый способ — механическое соединение с использованием винтов. На этапе производства в нагревателе проделывают отверстия нужного диаметра, следуя чертежам заказчика. Затем металлические нагревательные элементы плотно прижимают к рабочей поверхности с помощью болтов.

Второй метод — приклеивание с помощью теплопроводного клея. Этот способ проще предыдущего, поскольку не требует механического зажима и делает конструкцию более простой.

Однако оба метода имеют свои недостатки. Например, при механической затяжке винты могут не полностью соприкасаться с теплогенерирующей и теплопоглощающей поверхностями, что приводит к ненужным потерям энергии во время работы.

Приклеивание рабочих поверхностей с помощью теплопроводного клея может быть ненадёжным, особенно если поверхность подвержена сильным вибрациям. Это может привести к отрыву нагревателя от поверхности.

Наиболее надёжным является третий способ крепления, который сочетает в себе первые два. Он предполагает прикручивание болтом и одновременное приклеивание с помощью теплопроводного клея. Чтобы избежать потерь тепла, обратную сторону плоских нагревателей обычно обшивают теплоизоляционным материалом.