Нагревательные элементы| Плоские - металл

Нагревательные элементы представляют собой устройства, обеспечивающие выработку тепла необходимого при решении инженерных задач связанных с эксплуатацией термической энергии.

Область применения нагревательных элементов внушительна. Вот некоторые примеры их эффективного использования в обычной жизни:

Огромное количество технических устройств работающих в суровых климатических условиях, как правило, снабжаются принудительным подогревом, обеспечивая их бесперебойную работу. Снижение температуры окружающей среды может отрицательно сказаться на функционировании 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 и в повседневной деятельности человека. Они позволяют создать комфортные условия для работы и отдыха 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 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

Нагревательные элементы это устройства используемые при решении инженерных задач связаных с использованием нагрева физического вещества. Они могут иметь различные виды и формы в зависимости от конкретных условии и способов применения при протекании термических процессов, а так же изготавливаться из разнообразных токопроводящих материалов.

Тепловые нагревательные элементы

Тепловые нагревательные элементы, как правило (за некоторыми исключениями) производят тепло, преобразуя электроэнергию. Электрический ток, проходя через различные преобразователи превращается в термическую энергию, которая непосредственно принимает участие в работе по разогреву того или иного вещества путём распространения тепловой энергии в твёрдой материи, жидкостях и газах через конвекцию, теплопроводность, или излучение. Таким образом, появляется возможность произвести нагрев в тех местах (объёмах) оборудования, где это необходимо и исключить ненужный расход электроэнергии там, где этого не требуется. При протекании некоторых термических циклов придаётся значение равномерности вырабатываемого тепла обеспечивающего высокое качество выпускаемой продукции. Достичь такого результата можно с помощью тепловыделяющие поверхности плоской формы и желательно с небольшими расстояниями между витками греющего провода, что позволяет создать более постоянный тепловой поток по всей площади обогревателя. Но, как правило, создать тепловые нагревательные элементы с малым промежутком между проводами весьма проблематично из-за возможности электрического пробоя. Приходится увеличивать толщину изолятора, что в свою очередь ведёт к наращиванию межвиткового расстояния, а это приводит к скачкообразному распределению подогрева по всей плоскости.

Материал нагревательных элементов

Тепловыделяющие поверхности являются основными источниками повышения температуры при протекании термических процессов в промышленном производстве. Поэтому выбор применяемого термоэлемента во многом зависит от вида и характеристики среды, в котором он будет применяться. В соответствии со средой выбирается и состав сплава. Производительность и срок службы нагревательных элементов зависят от свойств материала применяемого при его изготовлении, который должен удовлетворять следующим качествам: высокая температура плавления; защита от окисления в открытой атмосфере; большая прочность на разрыв; достаточная пластичность материала; большое электрическое сопротивление; низкий температурный коэффициент. По конструктивным особенностям они могут представлять собой проволочную спираль, ленты либо полосы открытой или закрытой формы, гибкую плёнку с нанесённой на её плоскость резистивной дорожки, жёсткое плоское основание, испускающее инфракрасное излучение. Спираль, как правило, изготавливают из проволоки с высоким резистивным сопротивлением. Материал нагревательных элементов представляет собой хромоникелевые прецизионные сплавы (80% никеля, 20% хрома) или сплав фехраль. Сочетание нихрома 80/20 считается оптимальным при изготовлении, так как оно имеет большое сопротивление и способно при первом нагреве образовать липкий слой из оксида хрома, что защищает поверхность от окисления. Из этого сплава изготавливается и большинство плоских термических приборов, таких как на металле или керамике. В этих случаях спираль, имеющая большое сопротивление помещается в керамику либо запрессовывается в электрический изолятор и закрывается оболочкой из металла. Таким образом, получается греющая плоскость, испускающий неравномерный тепловой поток, получающийся в результате неоптимальной излучающей поверхности.

Изготовление нагревательных элементов

Изготовление нагревательных элементов это процесс производства высококачественных тепловыделяющих приборов с хорошими техническими параметрами и большой надёжностью в работе. Гибкие нагреватели так же могут изготавливаться из проволочной спирали, помещённой в силикон, полиэтилен или стекловолокно. Им присуще те же проблемы что и для плоских термоэлементов. Решить вопрос неравномерности выделяемой энергии можно с помощью травления 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 и электрообогреватель получится с оптимальными электрическими характеристиками. Гравированные электрообогреватели из фольги, как правило, сделаны из тех же сплавов что и сопротивление проволочных обогревателей, но изготавливаются с помощью фотоцинкографической операции, которая начинается с непрерывного листа металлической фольги и заканчивается сложным резистивным рисунком. Этот процесс весьма затратный и в конечном итоге слишком дорогой. Таким же эффектом равномерного распределения тепла обладают устройства выполнение по энергосберегающей технологии на основе токопроводящих паст и в то же время расходы на их производство значительно ниже.

Свойства нагревательных элементов

Свойства это характерная черта присущая тепловыделяющим приборам используемых в различных термических процессах.

Этого недостатка лишены плоские термоэлементы, изготовленные по энергосберегающей технологии. Они не только способны производить равномерный нагрев по всей плоскости, но и позволяют значительно экономить электроэнергию по сравнению с другими электрообогревателями.

Равномерный нагрев поверхности

Термоэлемент на металле с выставки город Москва

Равномерный нагрев поверхности физического вещества это создание условия при котором температура одинакова по всему объёму нагреваемой материи. Устройства, производимые по новой технологии, обладают уникальными свойствами по формированию равномерного нагрева по всей плоскости. Они 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 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 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 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.

Особенности нагревательных элементов на плёнке

Гибкие термоэлементы, на плёнке 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 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 и обеспечивать эффективную работу по предаче 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 позволяет использовать их на различном оборудовании в широких областях промышленности. На фото модельный ряд плёночных устройств нагревателей с выставки город Москва 2015 год.

Физика работы нагревательного элемента

В начальный период работы нагревательные элементы, изготовленные по новой технологии, имеют свойство менять своё удельное сопротивление экспоненциально в соответствии с ростом температуры. Такие электронагреватели, находясь ещё в холодном состоянии, имеют малое сопротивление и потребляют большие значения токов, генерируя высокую мощность быстро нагревшись до расчётной температуры рабочего режима, переходят на потребление тока рекомендованного в сертификате соответствия. При этом происходит превышение потребляемой мощности на 20% больше чем указано в документах на эксплуатацию. Этот цикл занимает порядка 20 – 30 секунд, что необходимо учитывать при проектировании токоподводящей разводки увеличивая запас по мощности не менее чем на 20% и соответствии с этим, если это необходимо 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. Из данного графика видно, что в первые секунды после включения интенсивность роста температуры и процесс изменения сопротивления (тока в электрической цепи) идут обратно пропорционально по экспоненциальному закону. Из чего можно прийти к заключению о низкой инерционности вхождения в рабочий режим. Эти свойства позволили эффективно использовать такие устройства на основе токопроводящих паст в авиационной и космической промышленности.

Нагревательные элементы нового вида

Нагревательные элементы нового вида представляют собой нагреватели, обладающие высокой производительностью малой толщиной и значительной экономией потребляемой мощности.

Тепловыделяющие приборы нового вида на плёнке, нержавейке или керамике изготовленные по принципу плёночной технологии это идеальное решение широкого круга технических задач. Данный электрообогреватель имеет малую толщину 0.15-0.5 мм для гибких нагревателей сопоставим с полиэтиленовой пленкой, применяемой для упаковки мебели. Для плоских устройств он составляет порядка 1-3 мм. что соразмерно с толщиной картона тары транспортируемого оборудования и в силу того что нагреватель может принимать различную конфигурацию то возможна установка его на любую плоскость сложного профиля. Наглядным примером такого использования может служить электронагреватель круглой формы, установленный в современном электрочайнике. Допускается производство таких приборов с одинаковыми геометрическими параметрами с различной удельной мощностью по всей площади нагреваемой поверхности. Электроприборы нового вида идеально подходит там, где требуется строгий и однородный температурный режим рабочей области. Так как он обладает малой массой, то это позволяет до минимума сократить время реагирования на изменение теплового режима. В свою очередь поддержание процесса передачи тепла с помощью терморегулятора и практически моментальной реакцией термоэлементов на изменение подаваемой мощности даёт возможность установить температуру по всей плоскости обогрева практически постоянной, что значительно влияет на качество выпускаемой продукции и в целом сокращает расходы производства. На снимке виды нагревательных элементов с выставки 2014 года город Москва.

Процесс изготовления новых видов нагревательных элементов по энергосберегающей технологии существенно отличается от обычного производства. Тепло вырабатываемое нагревательными элементами передаётся на греющий объект равномерно без дополнительных препятствий. В большинстве обычных электронагревателях генерируемое ими энергия попадает на рабочую поверхность через изолятор являющейся неотъемлемой частью самого прибора, без которого нельзя обойтись. В этом случае изолятор выступает в роли дополнительного поглотителя тепла, что снижает КПД самого нагревателя и делает невозможным создания сплошного теплового поля. Непосредственная же передача тепла к объекту без дополнительных препятствий делает возможным экономию потребляемой мощности порядка 25 – 30%, что сопоставимо с КПД железнодорожного локомотива по сравнению с продуктивностью паровоза работающим на паровой тяге. Повышение эффективности работы в свою очередь удешевляет стоимость производимого продукта и снижает нагрузку на электрические сети.

Устройства нового вида имеют малую толщину и большую теплоотдачу при небольшом весе, что позволяет занимать незначительный объём в приборах. Появляется уникальная возможность оптимальным образом размещать механизмы (радиодетали) на рабочей площади и высвобождать дополнительное пространство либо уменьшать общие размеры разрабатываемой (используемой) аппаратуры. Фотография - Виды электронагревателей с выставки город Москва 2015 год. Заказать нагреватель можно как готовый с необходимыми техническими характеристиками, так и разработать по собственному чертежу заполнив заявку на нагреватель и подав её в представительство на электронный адрес onyxspb@mail.ru.

Применение нагревательных элементов

Некоторые примеры эффективного применения нагревательных элементов нового вида при решении технических задач с использованием тепловых процессов.

Металлические нагревательные элементы

Примером применения металлических нагревательных элементов может служить возможность использования их для нагрева термопластичных полимеров в цикле вакуумной формовки. Одним из важных этапов технологии вакуумной формовки является необходимость равномерного прогрева полного объёма термопластичной полимерной заготовки в независимости от того какой материал используется для работы. Если этого не сделать, то плотного примыкания исходной основы к форме матрицы не получится и изделие деформируется. Наиболее оптимальным и экономичным устройством для выше указанного процесса является плоский нагреватель на нержавейке нового вида выполненный на основе плёночной технологии с применением токопроводящих паст. Так как металл обладает высокой теплопроводностью, а сама конструкция практически исключает потерю тепла при передаче его на нагреваемый объект то такие электронагреватели идеально подходят для хода вакуумной формовки.

В отличие от кварцевых приборов применение металлических электрообогревателей нового вида действительно позволяет моментально реагировать на изменение мощности при этом получать равномерный поток тепла по всей поверхности заготовки и существенно сократить время цикла обработки пресс-формы. Длинна волны инфракрасного излучения металла находится в диапазоне волн от 3 до 10 мкм, что для термопластичных полимеров является наиболее оптимальным охватом температур молекулярного поглощения тепла.

Максимальные размеры плоских нагревательных элементов, на металле нового вида составляют 300 х 200 мм., что обусловлено ограничениями линии по производству продукции. Поэтому для того чтобы создать греющею поверхность больших размеров применяют модульную сборку собранную из нескольких термоэлементов. Для модульного монтажа в один большой блок необходимо учитывать параметры расширения металла при его нагреве, то есть применяемые устройства должны располагаться с зазором между ними порядка 2 – 5 мм., это в дальнейшем предотвратит разрушение всей конструкции в процессе её работы. В целях повышения эффективности теплоотдачи тепловыделяющей поверхности обратную сторону металлического термоэлемента экранируют теплоизолирующим материалом. Такой подход позволяет повысить КПД ещё на 15 – 20% от заданной изначально характеристики.

Нагревательные элементы на керамике

Ещё одним образцом высокорентабельного применения нагревательных элементов на керамике может стать использование их при высокотемпературном обогреве деталей с малой рабочей поверхностью. В этом случае термоэлементы изготавливаются на керамике толщиной в один миллиметр с высокой теплопроводностью. Сам керамический электронагреватель приклеивается на подложку теплопроводящим клеем, подложка тем же клеем крепится к плоскости обогреваемого прибора. Такая конструкция позволяет эффективно передавать тепло при точечном разогреве рабочей плоскости детали. При этом режим эксплуатации может быть как постоянным или переменным, так и импульсным, с высокой степенью механической вибрации рабочей поверхности применяемой детали. Нагревательные элементы на керамике нашли широкое применение в микроэлектронике, радиоаппаратуре, медицинском приборостроении там, где требуется надёжный и малогабаритный прибор.

Пленочные нагревательные элементы

Особой популярностью на современном этапе технического развития пользуются гибкие плёночные нагреватели. Причём они с успехом применяются как в различных отраслях промышленности, так и индивидуальными пользователями в повседневной деятельности. Возможность этих термоэлементов принимать практически любую форму занимая при этом минимум рабочего пространства, делает их незаменимыми при проектировании и изготовлении приборов предназначенных для работы в суровых зимних условиях нашей страны. Особенностью эксплуатации плёночного устройства является то, что его крепление осуществляется путём наклеивания специальным клеем на обогреваемую поверхность. При этом плотность прилегания к поверхности имеет важное значение в период использования. Под плёнкой не должны, появляться пузыри с воздухом. Теплопроводность воздуха очень низкая и в местах неплотного примыкания тепло вырабатываемое термоэлементом будет оставаться на нём самом, что при длительной эксплуатации может привести к перегоранию токопроводящих дорожек. Плёночные нагревательные элементы выдерживают температуру нагрева до 90 °С поэтому важно иметь хороший теплоотвода это, как правило, обеспечивать плотный контак с теплопоглощающей поверхностью применяемого прибора.