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.

Поверхность теплопередачи может иметь различные конфигурации в зависимости от условий эксплуатации, что позволяет использовать эти устройства в различных областях, где требуется равномерное распределение тепла.

 

Плоские нагреватели предназначены для решения множества технических задач. Благодаря возможности изготовления с различными геометрическими формами и размерами, они позволяют точно подогнать любую теплопоглощающую поверхность. Эта система обладает низким энергопотреблением и обеспечивает равномерный нагрев и быстрый подъем температуры.

 

Такой тип нагревателей может применяться для экономичного нагрева различных поверхностей с помощью устройства, генерирующего тепло. Их эффективная работа зависит от ряда факторов, определяемых техническими параметрами. Для получения нагревателей с более высоким КПД (коэффициента полезного действия) геометрия таких устройств должна соответствовать кривизне нагреваемой поверхности в процессе работы. Толщина может варьироваться в зависимости от технологии изготовления, и чем тоньше источник тепла, тем выше КПД.

Особое внимание следует уделить способу крепления плоских нагревателей к механизму, предназначенному для нагрева детали. Чтобы избежать ненужных потерь тепла, важно минимизировать теплопроводность стыка между нагревательным элементом и теплопоглощающей поверхностью.

Скорость нагрева нагревательного элемента (изменение температуры металла при нагреве в единицу времени) так же является важной характеристикой. 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.

Здесь представлены сравнительные характеристики термодиффузионных (термодинамический эффект, заключающийся в появлении в смеси вследствие разности температур градиента концентрации компонентов) поверхностей плоских нагревателей. Нагреватели, изготовленные по различным технологиям, проанализированы с точки зрения их рабочих характеристик, и выявлены основные преимущества тепловых элементов, произведенных на основе токопроводящей пасты.

 

Плоские нагреватели на металле

Плоские нагреватели на металле - это новый вид металлических нагревательных элементов, которые изготавливаются путем нанесения токопроводящей пасты на подложку (металл) с рисунком, создающим развитую цепь контура электрического сопротивления (физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока). Эта цепь надежно изолирована как от основания нагревателя, так и от окружающей среды.

Они состоят из металлической или керамической основы (с диэлектрическим покрытием) толщиной от 1 до 3 мм, практически любой геометрической конфигурации, на которую нанесен узор методом трафаретной печати (метод воспроизведения как текстов и надписей, так и различных изображений (монохромных или цветных) при помощи трафаретной печатной формы) токопроводящей пастой.

 

После термообработки (процесс тепловой обработки изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении) получается развернутый контур цепи электрического сопротивления плоского ТЭНа, который надежно изолирован от поверхности нагрева и окружающей воздушной среды. Изоляция выполнена из специального диэлектрического (защитное покрытие, которое изготовлено из резины и обладает высоким электрическим сопротивлением) покрытия толщиной 200 мкм, нанесенного на нагреваемую поверхность.

 

Областью применения этих нагревательных элементов является широкий ряд бытовых и специальных электронагревателей для различных областей промышленности: аэрокосмической, станкостроительной, автомобильной, пищевой, медицинской и т.д. Там, где необходимо получить низко затратный с экономической точки зрения нагрев рабочей поверхности при ограничениях на размеры нагревательного элемента.

Представительство фирмы в Санкт-Петербурге тел. 8(812)4524540 принимает заказы на плоские электрические нагреватели по чертежам клиента. Конструкторы нашей фирмы проконсультируют Вас по всем вопросам изготовления и расчета подобных устройств на металле, предназначенных для производственных установок. Возможна доставка нагревателей данного типа 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 - Плоские нагревательные элементы - это устройства, изготовленные с использованием новых микроэлектронных технологий, которые обеспечивают равномерный нагрев поверхности по всей плоскости нагревательного элемента.

Нагревательные элементы состоят из пары проводников с низким сопротивлением (для подвода энергии) и проводника с высоким сопротивлением (собственно нагревателя), который отделен от нагреваемой поверхности изолятором (Материал, в котором электрический ток не течет свободно. Он имеет более высокое удельное сопротивление, чем полупроводники или проводники). Вся конструкция нагревательного элемента (в зоне передачи тепла) должна выдерживать рабочую температуру нагревателя (рис. №1).

Выбор материала нагревателя (с высоким сопротивлением и устойчивостью к высоким температурам) широк. Из металлов часто используются нихром и фехраль, которые используются в бытовых приборах, таких как кипятильники, паяльники, обогреватели, плитки и утюги. Большинство современных тепловыделяющих приборов имеют общую конструкцию - электрическую спираль, запрессованную в электроизоляционный керамический материал и помещенную в металлическую оболочку. Оболочка является рабочей теплоотдающей поверхностью, которая передает тепло нагреваемой поверхности (поверхность, заключённая внутри внешнего периметра нагревательного элемента) (рис. №2).

Технология плоского нагревателя

Плоские нагреватели разработаны по иной технологии, которая основана на использовании токопроводящего резистивного слоя, нанесенного специальным способом на одну из сторон металлической (нержавеющей) пластины толщиной 1 - 3 мм. При этом обратная сторона пластины является рабочей тепловыделяющей поверхностью. Данная схема нагревательного элемента позволяет наиболее оптимально использовать тепловые потоки снижая потери тепла, что делает технологически возможным создание нагревательного элемента нового вида с высоким КПД.

Проведем сравнительную характеристику эффективности использования электрической энергии в результате передачи теплоты через изотермическую поверхность (геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру) в единицу времени (теплопроводность) обычным электрическим тепловыделяющим прибором (керамический нагреватель) и плоским. Представим, что нагреваемые поверхности имеют одинаковую тепло воспринимающую массу. Схематично конструкцию тепловыделяющих поверхностей плоских нагревателей можно предположить 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 точности сравнения предположим, что S = S' и t1 =t1'. При этом количество теплоты (энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена), переданное через тепло проводящей стенки для обоих типов нагревателей будет одинаковым, т.е. Q = Q'. Теплопроводность является мерой быстроты выравнивания температуры различных точек тела, или мерой количества переносимого тепла при заданной разности температур и толщине стен. При включении электропитания поступающая электроэнергия к нагревательному элементу преобразуется в тепловую энергию (энергия молекулярного движения) и начинается процесс теплообмена (физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему), т.е. перенос тепла к теплоотдающей поверхности, которая в свою очередь передаёт его нагреваемой поверхности. Для упрощения принимаем, что теплообмен осуществляется в основном за счет теплопроводности, тогда необходимое количество тепла для заданных условий можно посчитать 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 примем условный нагревательный элемент (тепловыделяющая поверхность) размером 10 х 10 см., помещённый в стеклянный откаченный баллон. В этом случае подводимая к нему электрическая энергия превращается в тепловую почти полностью. Воздух из баллона откачен, поэтому теплопередача путём конвекции (вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества) и теплопроводности воздуха практически отсутствует. Следовательно, поток излучения (Ф) можно найти косвенно, приравняв его в первом приближении 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

Присоеденить плоские обогреватели к нагреваемой поверхности можно тремя способами. Первый способ - механическое соединение с помощью винтов. С этой целью на этапе изготавления в нагревателе проделываются отверстия нужного диаметра в соответствии с чертежом заказчика. В ходе установки металлические нагревательные элементы крепко прижимаются к рабочей поверхности с помощью болтов.

Второй метод - приклеивание теплопроводным клеем. Этот способ передачи тепла объекту проще предшествующего, так как не требует механического зажима и делает менее простой всю конструкцию. У этих методов есть свои недостатки. Так, винтовая затяжка может слабо соприкасаться с теплогенерирующей и теплопоглощающей поверхности, что приводит к ненужным затратам энергии во время работы. Склеивание рабочих поверхностей с помощью теплопроводящего клея может быть ненадежным и в случае сильных вибраций, могут привести к отрыву нагрева от нагреваемой поверхности.

Придельно надежным является третий способ крепления, который соединяет в себе первые два. Это прикручивание болтом и одновременное приклеивание теплопроводящим клеем. Чтобы избежать ненужных потерь тепла, обратная сторона плоских нагревателей обычно обшивается теплоизоляционным материалом.