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 плоского типа, предназначенные для создания равномерного теплового потока по всей поверхности и передачи его в окружающую среду (объекты) посредством излучения, теплопроводности или конвекции. Поверхность теплопередачи обычно изготавливается из металла, керамики, силикона, стекловолокна или полиэтиленовой пленки и имеет плоский внешний вид с различными конфигурациями в зависимости от условий эксплуатации.

Плоские нагреватели призваны решить огромное количество технических проблем. Поскольку они могут быть изготовлены с разными геометрическими формами и размерами, становится возможным точно подогнать любую теплопоглощающую поверхность. Такая система имеет низкое энергопотребление, гарантирует равномерный нагрев и быстрый подъем необходимой температуры.

 

Этот тип нагревателей может использоваться для экономичного нагрева различных поверхностей с помощью инженерного устройства, генерирующего тепло. Эффективная работа плоских нагревателей зависит от ряда факторов, определяемых их техническими характеристиками. Для получения нагревателей с более высоким КПД (коэффициента полезного действия) геометрия таких устройств должна соответствовать типу нагреваемого в процессе его работы компонента. Толщина может варьироваться в зависимости от технологии изготовления; 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 поверхностей плоских нагревателей. Нагреватели, изготовленные по различным технологиям, проанализированы их рабочие характеристики и выявлены основные преимущества тепловых элементов произведённых на основе токопроводящей пасты.

 

Плоские нагреватели на металле

Плоские нагреватели на металле это новый вид металлических нагревательных элементов, изготовленных путем нанесения токопроводящей пасты на подложку (металл) с рисунком, который создает развитую цепь контура электрического сопротивления (физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока), которая надежно изолирована как от основания нагревателя, так и от окружающей среды. Они представляют собой металлическую или керамическую основу (с диэлектрическим покрытием) толщиной от 1 до 3 мм, практически любой геометрической конфигурация, на которую нанесен узор методом трафаретной печати токопроводящей пастой.

 

После термообработки получается развернутый контур цепи электрического сопротивления плоского ТЭНа, который надежно изолирован от поверхности нагрева и окружающей воздушной среды. Изоляция выполнена из специального диэлектрического покрытия толщиной 200 мкм, нанесенного на нагреваемую поверхность.

 

Областью применения (смотри раздел Применение 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 расчёта 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.

  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 2019 году.

Плоские нагревательные элементы

Плоские нагревательные элементы - это устройства плоского типа, изготовленные с использованием новых микроэлектронных технологий, которые позволяют получить равномерный нагрев поверхности по всей плоскости нагревательного элемента.

Любые нагревательные элементы состоят из пары проводников с низким сопротивлением (для подвода энергии), соединенных проводником с высоким сопротивлением (собственно нагревателем), отделённый от нагреваемой (рабочей) поверхности изолятором. При этом вся конструкция нагревательного элемента (по крайней мере, в зоне передачи тепла) должна выдерживать рабочую температуру нагревателя Рис. №1 (структурная схема нагревательного элемента).

Выбор материала нагревателя (с высоким сопротивлением и устойчивостью к высоким температурам) довольно широк. Из металлов распространены нихром и фехраль, на которых основана работа бытовых приборов - кипятильники, паяльники, обогреватели, плитки, утюги и т.п. Большинство современных тепловыделяющих приборов имеют, как правило, одну общую конструкцию, это электрическая спираль, запрессованная электроизоляционным керамическим материалом и помещенная в металлическую оболочку. Оболочка является рабочей теплоотдающей поверхностью, которая передаёт тепло нагреваемой поверхности Рис №2 (керамический нагревательный элемент).

Технология плоского нагревателя

Плоские нагреватели разработаны по другой технологии, основой которой является токопроводящий резистивный слой греющего сопротивления, нанесенный специальным способом на одну из сторон металлической (нержавеющей) пластины толщиной 1 - 3 мм., при этом обратная сторона пластины является рабочей тепловыделяющей поверхностью Рис №3 (плоский нагреватель). Такая схема нагревательного элемента при использовании в тепловых нагревательных приборах позволяет наиболее эффективно использовать тепловой поток (поток энергии, обусловленный ее самопроизвольным, необратимым переносом в пространстве от более нагретых тел к менее нагретым), уменьшить потери тепла и значительно снизить расход электроэнергии. Что делает технологически возможным создание нагревательного элемента нового вида с повышенным КПД.

Проведём сравнительную характеристику эффективности использования (способность избежать траты, энергии и времени на то что бы, получить желаемый результат) электрической энергии в результате передачи теплоты через изотермическую поверхность в единицу времени (теплопроводность), обычным электрическим тепловыделяющим прибором (керамический нагреватель) и плоским, при этом предполагаем, что нагреваемые поверхности имеют одинаковую тепло воспринимающую массу. Схематично конструкцию тепловыделяющих поверхностей плоских нагревателей можно представить в следующем виде.

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, приходим к заключению, что из-за неравномерности его изменения, распределение температур в зависимости от выделяемой мощности на нагревателе изменяется также неравномерно, т.е. с повышением температуры мощность, затрачиваемая на увеличение нагрева на один градус, значительно увеличивается и чем больше температура, тем ощутимее эта разность. То есть работа нагревательного элемента созданного по новой технологии обеспечивает быстрый набор требуемой температуры при снижении затрачиваемой мощности.

Вывод:

1.  Если возможно достичь того же результата в технологическом процессе с использованием нагрева при меньших температурах тепловыделяющих поверхностей, то в целях экономии энергетических ресурсов целесообразно применять менее энергоёмкие плоские ТЭНы.

2.  Применение плоских нагревателей в машиностроении позволяет значительно снизить затраты на потребляемую мощность (порядка 40-50%, на практике больше), тем самым повысить надежность и срок службы оборудования.

Основные параметры плоских нагревателей

Технические:

♦ 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, позволяют получить равномерный тепловой поток на теплоприемнике с минимальными перепадами температур.

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

3. Технология изготовления 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. Рабочая температура нагрева (на плёнке до 90 °С) (на нержавейке до 500 °С).

6. Обладают большой устойчивостью 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 оптимальная передача тепла от теплоотдающей поверхности к нагреваемой поверхности, что значительно сокращает потери.

2.  Значительно уменьшаются вес и габариты (толщина металла 1-3 мм.) нагревательного элемента по сравнению с обычным.

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

4.  Позволяют снизить расход электроэнергии при применении в производственном процессе на 40-50% тем самым повысить экономическую эффективность.

5.  Возможность производства нагревательных элементов повторяющих конфигурацию нагреваемой поверхности значительно снижает энергетические потери.

6.  При меньших активных затратах на нагрев можно получить такой же результата 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.  Большая стоимость в 2-3 раза больше чем на обычные нагреватели, но из за высокого экономического эффекта окупаемость составляет от 6 до 12 месяцев.

Крепление плоских нагревателей

Прикрепить плоские обогреватели к нагреваемой поверхности можно тремя способами. Первый способ - механическое соединение винтами. Для этого на этапе производства в нагревателе высверливаются отверстия определенного диаметра по месту, указанному на чертеже заказчика. В процессе установки металлические нагревательные элементы плотно прижимаются к рабочей поверхности с помощью болтов. Второй метод - приклеивание теплопроводной пастой. Этот способ передачи тепла объекту проще предыдущего, так как не требует механического зажима и упрощает всю конструкцию. У обоих этих методов есть свои недостатки. Таким образом, винтовая застежка неплотно прилегает к теплогенерирующей и теплопоглощающей поверхности, что приводит к ненужным потерям энергии во время работы. Склеивание рабочих поверхностей с помощью теплопроводящей пасты не совсем надежно в случае сильных вибраций, которые могут привести к отрыву нагрева от нагреваемой поверхности. Наиболее надежным считается третий способ крепления, сочетающий в себе первые два. Это прикручивание со слоем теплопроводящей пасты. Чтобы избежать ненужных потерь тепла, обратная сторона плоских нагревателей обычно обшивается теплоизоляционным материалом.