Гибкие нагреватели	Заказать нагреватель	Нагревательные элементы
Главная » Нагревательные элементы » Плоские нагреватели

Плоские нагреватели

Плоские нагреватели на металле

Плоские нагреватели это новый вид нагревательных элементов, изготавливаемый путём нанесения токопроводящей пастой на подложку (металл) рисунка создающего развитый контур электрической цепи сопротивления, который надёжно изолирован как от основы, так и от окружающей среды.

 

Они представляют собой металлическую или керамическую (с диэлектрическим покрытием) основу толщиной 1-3 мм. практически любой геометрической конфигурации, на которой методом трафаретной печати наносится токопроводящей пастой рисунок. После термообработки получается развитый контур электрической цепи сопротивления, надежно изолированный как от основы, так и от окружающей среды специальным диэлектрическим покрытием толщиной 200 микрон, нанесенный на подлежащую подогреву поверхность.

 

Областью применения 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.

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 2016 году.

Плоские нагревательные элементы

Плоские нагревательные элементы - устройства, изготовленные с использованием новых микроэлектронных технологий позволяющие получать равномерный тепловой поток по всей поверхности нагреваемого объекта.

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 материалов (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 нагревательный элемент). Такая конструкция при использовании в тепловых нагревательных приборах позволяет наиболее эффективно использовать тепловой поток, уменьшить потери тепла и значительно снизить расход электроэнергии.

Проведём сравнительную характеристику эффективности использования электрической энергии в результате передачи теплоты через изотермическую поверхность в единицу времени (тепловой поток), обычным электрическим тепловыделяющим прибором (керамический нагреватель) и плоским, при этом предполагаем, что нагреваемые поверхности имеют одинаковую тепловоспринимающую массу. Схематично конструкцию тепловыделяющих поверхностей данных нагревательных элементов можно представить в следующем виде.

Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей

На рисунке №4 изображена принципиальная конструкция керамического нагревательного элемента (греющий элемент – спираль из нихрома), на рисунке №5 плоского нагревательного элемента 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, 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 и начинается процесс теплообмена, 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.

λ/d = 2,5/0,005 = 500 - термическое сопротивление керамического;

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

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 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 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, 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.

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 нагреватели.

2.  Применение плоских нагревателей в машиностроении позволяет значительно снизить затраты на потребляемую мощность (порядка 40-50%, на практике больше), и 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. Плоские устройства, 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 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 они 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.  Позволяет снизить расход электроэнергии при применении в производственном процессе на 40-50% тем самым повысить экономическую эффективность.

5.  Возможность производства электронагревателя повторяющего конфигурацию нагреваемой поверхности, что может значительно снизить энергетические потери.

6.  При меньших активных затратах на нагрев достигается возможность получения такого 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.