Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

 
 

Сайт электрика

Начинающим электрикам, Как это устроено

Современные нагревательные элементы

Современные нагревательные элементыВ статье «Электрические нагревательные элементы» было рассказано в основном о трубчатых нагревательных элементах – ТЭНах и об открытых спиралях. Кроме этого существует еще множество других элементов, некоторые из которых практически ровесники открытой спирали, а другие появились относительно недавно, благодаря развитию современных технологий. Об этих нагревателях, новых и не очень, и будет рассказано в этой статье.

Инфракрасные нагревательные элементы

Применяются в различных устройствах, прежде всего инфракрасных обогревателях помещений. Попросту говоря, это отопительные приборы, создающие комфорт в доме, квартире, офисе или цехе. Для различных условий применяются самые разнообразные конструкции обогревателей. Инфракрасные нагреватели могут применяться также в различном технологическом оборудовании, где требуется нагрев каких-то предметов.

Ярким примером такого технологического оборудования являются инфракрасные паяльные станции и современные лабораторные нагревательные шкафы и печи. Широко используется ИК нагрев в групповой пайке печатных плат с компонентами SMD.

Описание этого процесса опубликовано в журнале «Технологии в электронной промышленности №3, 2007». Статья называется «Инфракрасный нагрев в технологии пайки поверхностного монтажа», автор статьи В. Ланин. В статье приводятся очень интересные факты, как уже ставшие историей, так и имеющие место быть. Схема установки для инфракрасной пайки показана на рисунке 1.

Установка групповой пайки с ИК нагревом: 1 — вытяжная вентиляция, 2 — матрица ИК ламп, 3 — плата, 4 — ИК лампа, 5 — отражатель, 6 — устройство охлаждения, 7 — конвейер

Рисунок 1. Установка групповой пайки с ИК нагревом: 1 — вытяжная вентиляция, 2 — матрица ИК ламп, 3 — плата, 4 — ИК лампа, 5 — отражатель, 6 — устройство охлаждения, 7 — конвейер

ИК излучение, что это, и как оно работает

Инфракрасное излучение является одной из составных частей солнечного спектра. ИК лучи находятся в самой низкочастотной зоне солнечного света. Именно они несут нам на Землю тепло. При этом инфракрасные лучи беспрепятственно проходят сквозь воздух, нисколько не нагревая его. Нагревается земная поверхность, и все, что встречается на пути солнечных лучей. И только потом, от теплых предметов согревается воздух. Вот почему утром воздух прохладен, пока не взойдет Солнце. В точности также работают инфракрасные нагреватели, являющиеся основой промышленных и бытовых обогревателей.

Конечно, спектр рукотворных ИК нагревателей не столь широк, как у солнечного света, и находится в длинноволновой области ИК диапазона с длиной волны λ = 50—2000 мкм. Причем, чем меньше температура нагретого тела, тем больше длина волны. Вообще, диапазон ИК излучения намного шире и делится на три поддиапазона

• коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм,

• средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм,

• длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм,

но инфракрасные нагревательные элементы работают только в длинноволновой части ИК спектра. Различные ИК нагревательные элементы являются основой для создания инфракрасных обогревателей. Поскольку тепло от инфракрасных нагревательных элементов передается в основном теплоизлучением, то их часто называют инфракрасными излучателями.

Как устроены ИК обогреватели

В сущности, конструкция ИК обогревателя проста и незатейлива: нагревательный элемент – излучатель помещен в корпус той или иной конструкции, внутри корпуса имеется рефлектор – отражатель, клеммы для подключения излучателя, а снаружи клеммы для внешних проводов. На рисунке 2 показан именно такой простенький вариант обогревателя.

Конструкция ИК обогревателя

Рисунок 2. Конструкция ИК обогревателя: 1 — отражатель (рефлектор), 2 — защитная сетка, 3 — переключатель, 4 — крепежная скоба, 5 — инфракрасная карбоновая лампа, 6 — крышка, 7 — клеммная коробка, 8 — шнур питания, 9 — вилка.

Сразу бросается в глаза, что обогреватель данной конструкции очень похож на прожектор для галогенных ламп, применяемый для подсветки рекламы, фасадов зданий, ступенек крыльца, части двора возле дома. В общем, какого-то сравнительно небольшого участка, так называемое локальное освещение.

Поэтому с помощью ИК обогревателей тоже возможен обогрев не всей площади помещения, а лишь какой-то его части. Экономия электроэнергии заметна невооруженным глазом: зачем греть все помещение, если можно нагреть всего один угол? Пример индивидуального обогрева офисного работника показан на рисунке 3.

Точечный ИК обогрев

Рисунок 3. Точечный ИК обогрев

Это как раз тот вариант обогрева, который можно получить, используя обогреватель, показанный на рисунке 2. Если требуется сделать отопление, например в кафе, то понадобятся обогреватели несколько иной конструкции, которые можно установить в потолок, наподобие светильников с дневными лампами. Такой вариант показан на рисунке 4. В принципе, обогреватели можно развесить над каждым столиком, либо просто в шахматном порядке.

Полный обогрев

Рисунок 4. Полный обогрев

Подобных схем обогрева можно найти немало, ведь ИК обогреватели используются для отопления достаточно больших помещений: мастерских, складов, цехов, а то и вовсе небольших площадок на открытом воздухе. Например, это может быть беседка возле дома или веранда ресторана со столиками. В ИК обогревателе, показанном на рисунке 2, применяется инфракрасная карбоновая лампа, что это такое, как она устроена и какие у нее свойства?

Карбоновая лампа

Представляет собой вакуумную трубку из кварцевого стекла, внутри которой размещен излучающий элемент, сделанный из углеродного (карбонового) волокна, точнее из нескольких волокон свитых в жгут. Иногда этот излучающий элемент называют карбоновой спиралью, хотя это и не совсем правильно.

Карбоновое волокно появилось сравнительно недавно, но завоевало большую популярность в различных технологиях. Из него делаются не только карбоновые излучатели. С помощью специальных технологий из карбоновых волокон делают углепластики.

Спектр применения углепластиков очень широк, примерно около двадцати направлений: от авиастроения и ракетной техники до струн для музыкальных инструментов. Широко применяются углепластики в автомобилестроении, главным образом, в спортивных автомобилях. Те, кто увлекается любительским и спортивным рыболовством, по достоинству оценили все прелести карбоновых удилищ.

Карбоновое волокно имеет волокнистую структуру, что значительно увеличивает площадь излучения. Эта площадь в десятки и сотни раз превышает площадь спирали из нихрома, вольфрама, керамики, фламентина или других материалов. Такая развитая площадь приводит к тому, что теплоотдача карбонового волокна на 30…40% выше, чем у обычных нагревательных элементов.

При подаче напряжения карбоновое волокно разогревается мгновенно, сразу начинается выработка лучистого тепла, причем, без вредного излучения в ультрафиолетовой части спектра. Повышенная теплоотдача карбонового волокна приводит к более экономному расходу электроэнергии, нежели у обычных нагревателей из нихромовой спирали.

При одинаковой потребляемой мощности карбоновые нагреватели вырабатывают большее количество тепла. Тепло при этом не уходит под потолок, как в случае отопления, например, масляным радиатором или батареей центрального отопления.

Оптическое излучение карбоновых ламп совсем незначительно. Чуть видимое красное свечение вовсе не влияет на зрение, не ослепляет, но свечение все-таки заметно. На рисунке 5 показан работающий бытовой обогреватель на основе карбоновых ламп.

Работа карбонового обогревателя

Рисунок 5. Работа карбонового обогревателя

В верхней части обогревателя находятся переключатели, задающие режимы работы. В подставке обогревателя имеется электропривод, создающий покачивания обогревателя в разные стороны, наподобие того, как это делают вентиляторы. Этими поворотами достигается увеличение площади обогрева.

Смотрите также по этой теме: Интересные факты об инфракрасном отоплении

Керамические инфракрасные нагреватели (излучатели)

Представляют собой обычный ТЭН, «заточённый» в керамическую оболочку – корпус. Теплом от ТЭНа разогревается керамика, а уже от нее тепловые лучи излучаются во внешнюю среду. Керамическая оболочка имеет площадь в несколько раз превышающую площадь ТЭНа, поэтому тепло отдается более активно.

Внешний вид керамического обогревателя показан на рисунке 6. Подобные нагреватели часто называют панельными инфракрасными нагревателями. Форма нагревательных панелей самая разнообразная. Нагреватель может быть плоским, вогнутым или, наоборот, выпуклым.

Внешний вид керамического нагревателя

Рисунок 6. Внешний вид керамического нагревателя

На передней поверхности можно рассмотреть конфигурацию ТЭНа, на задней поверхности находятся проволочные выводы изолированные керамическими бусами. Рабочая температура керамических нагревателей 700…750 градусов, удельная поверхностная мощность до 64Квт/м2. Мощность керамических нагревателей может находиться в пределах от нескольких десятков ватт, до нескольких киловатт. Что называется, на все случаи жизни.

Некоторые типы керамических нагревателей имеют открытую, видимую спираль, например типа HSR. Рабочая температура нагревателя 900 °C, нагреватель предназначен для быстрого разогрева. Внешний вид нагревателя HSR показан на рисунке 7.

Нагреватель типа HSR

Рисунок 7. Нагреватель типа HSR

Керамические ИК нагреватели бывают трех типов: объемные (сплошные), полые, а также нагреватели со встроенной термопарой. Объемные элементы достаточно инерционны, долго разогреваются и медленно остывают. В тех случаях, когда нужно периодическое включение/выключение нагревателя, применяются полые нагреватели.

Они менее инерционны, что позволяет применять их в различных технологических процессах, где требуется поддержание точной температуры рабочей среды с помощью периодического включения/выключения излучателя. За счет пониженной массы скорость разогрева пустотелых излучателей на 40% выше, чем у объемных.

В отличие от объемных излучателей большая часть излучения полых излучателей направлена вперед. Излучению назад препятствует полый тепловой барьер с задней стороны, что обеспечивает щадящий температурный режим для элементов корпусных конструкций, а также повышает КПД излучателя. По сравнению с объемными излучателями той же мощности снижение потребления электроэнергии достигает 15%.

При использовании объемного излучателя такое распределение тепла можно получить только с использованием рефлектора. Некоторые типы панельных ИК нагревателей имеют встроенную термопару типа K или J, что позволяет осуществлять точный контроль и регулирование температуры. Очень удобно для применения в технологических процессах.

Технологических процессов, где применяются ИК излучатели достаточно много. Вот только некоторые из них:

  • Сушка краски (двухкомпонентные краски, эпоксидные лаки),

  • Обработка пластмасс (вулканизация ПВХ, термоформовка пластиков АБС, полиэтилена, полистирола, части автокузова, порошковая покраска)

  • Сушка клеящих веществ,

  • Обработка продуктов питания (поддержание в нагретом состоянии, гриль, стерилизация и пастеризация),

  • Текстильные изделия (шелкография, переводные картинки на футболках, латексирование ковровых покрытий),

  • Красота и здоровье (инфракрасные тепловые кабины, сауны)

Инфракрасные керамические лампы Эдисона

Относятся к полым керамическим излучателям, выпускаются с цоколем E27, как у обычной лампы накаливания. Этот цоколь давным-давно был изобретен великим изобретателем Т. Эдисоном. Именно буква «E» в названии цоколя увековечивает имя изобретателя, а 27 это диаметр цоколя в миллиметрах. Конструкция очень удобная: просто ввернули в патрон вместо лампы накаливания, и сразу стало тепло!

Считается, что эти обогреватели, чаще всего, применяются в животноводстве. Даже на китайских сайтах с бесплатной доставкой, из корявого машинного перевода с английского языка, можно понять, что эти обогреватели предназначены для коровников, птичников и свинарников.

Почему нельзя такой излучатель повесить если не дома, то хотя бы на рабочем месте? Ведь далеко не секрет, что наши работодатели не особо утруждают себя созданием нормальных условий на рабочих местах: летом не хватает кондиционера, а в осеннюю пору, пока еще не включили отопление, приходится в цехе, мастерской или в конструкторском отделе одеваться в ватную телогрейку.

Для обогревателей Эдисона выпускаются металлические рефлекторы, что позволяет увеличить теплоотдачу в нужном направлении и снизить тепловое воздействие на стены и потолки. Собственно для этих же целей служат и рефлекторы, используемые с другими типами нагревателей. Внешний вид обогревателя с цоколем E27 показан на рисунке 8.

Инфракрасная лампа Эдиссона

Рисунок 8. Инфракрасная лампа Эдисона

Естественно, что вкручивать такие «лампочки» надо в высокотемпературный керамический патрон.

Кварцевые и галогеновые излучатели

Представляют собой запаянную вакуумную трубку из кварцевого стекла, внутри которой находится спираль из металла с высоким сопротивлением. По сути дела, это обычные галогенные лампы с вольфрамовой спиралью. В зависимости от конструкции спирали излучатели делятся на два диапазона ИК излучения, - излучатели средневолнового диапазона и излучатели коротковолнового диапазона.

В первых из них спираль имеет звездчатую форму, во вторых внутри кварцевой трубки находится поддерживаемая нить накала, что прекрасно просматривается сквозь прозрачное кварцевое стекло. Спрашивается, зачем делать спирали различной конструкции, что получается в результате таких технологических изысканий?

Галогеновые излучатели с поддерживаемой нитью накала работают в высокочастотном диапазоне ИК, и обеспечивают возможность нагрева до 2600 °C. Этот нагревательный элемент имеет высокую мощность, очень быстрое время реагирования, что делает его незаменимым в коротких циклических процессах, где требуется высокая удельная мощность.

Нагревательные элементы для обогрева плоскостей

Нагрев до столь высоких температур нужен далеко не всегда, и в этих случаях приходится применять другие нагреватели, которые передают тепло не излучением, а находясь в непосредственном контакте с нагреваемым предметом. При этом нагревается поверхность определенной площади и формы, как плоская, так и криволинейная. Одним из таких типов нагревателей являются плоские эластичные нагреватели, изготовленные из силикона.

Силикон это кремнийорганический полимер, состоящий из атомов кремния и углерода. В зависимости от молекулярной массы эти полимеры могут быть жидкими (кремнийорганические жидкости), эластичными (кремнийорганические каучуки) или твердыми продуктами (кремнийорганические пластики).

Кремнийорганические полимеры обладают хорошими диэлектрическими характеристиками, отличаются высокой термостойкостью, хорошими водоотталкивающими свойствами, физиологической инертностью, что позволяет использовать их для создания плоских нагревательных элементов. Такая конструкция называется силиконовыми нагревательными матами, и применяется в тех случаях, когда необходим равномерный нагрев какой-либо поверхности.

Силиконовые нагревательные элементы

Представляют собой конструкцию из двух слоев силикона, между которыми размещается нагревательный провод или вытравленная нагревательная пленка, что позволяет получить самые различные параметры нагревателя. Для увеличения механической прочности силикон армируется текстильным стекловолокном.

Эти нагреватели обладают высокой скоростью реагирования (малое время нагрева/остывания), точность поддержания температуры достаточно высока, особенно, если нагреватель оснащен сенсором температуры и термостатом.

Геометрические размеры силиконовых матов невелики, толщина нагревателей начинается от 0,7 мм, что позволяет использовать их в самых различных областях, начиная от аэрокосмических аппаратов и заканчивая подогревом бочек с маслами или красками.

Силиконовые нагреватели имеют повышенную устойчивость к влаге и сырости, поэтому они рекомендуются для лабораторного оборудования, применения в сфере общественного питания, а также для защиты электронной аппаратуры от замерзания и конденсата. Единственным ограничением к применению силиконовых нагревательных элементов может служить относительно низкая рабочая температура: 200 °C в режиме длительной эксплуатации и 230 °C кратковременно. Внешний вид силиконовых нагревателей показан на рисунке 9.

Силиконовые нагреватели

Рисунок 9. Силиконовые нагреватели

Нагреватель из вытравленной пленки показан на рисунке 10. Естественно, что эта проводящая дорожка показана условно, на самом деле она закрыта другим слоем силикона.

Нагреватель из вытравленной пленки

Рисунок 10.

Нагреватели с вытравленными элементами, также, как и нагреватели с нагревательным проводом выпускаются самых различных форм и размеров, однако, вытравленные элементы позволяют получить самые разнообразные схемы распределения тепла. Кроме того бОльшая площадь вытравленного нагревательного элемента обеспечивает бОльшую плотность мощности и равномерность распределения тепла. Расстояние между вытравленными проводниками можно получить несколько меньше, чем в случае применения нагревательного провода.

Для удобства монтажа многие силиконовые нагреватели с обратной стороны оснащаются самоклеющейся пленкой. Современные клеевые технологии позволяют создать прочные соединения даже при повышенной температуре, на которой работают силиконовые нагреватели, поэтому соединение получается надежным и долговечным.

Нагреватели для бочек часто называются тепловыми рубашками. Такие же рубашки существуют для обогрева контейнеров, а также днищ бочек и контейнеров. Естественно, что эти нагреватели плоские, а их размеры соответствуют размерам бочек или контейнеров. Миканитовые нагреватели

Также относятся к плоским нагревательным элементам. Их основой служит миканит – слюдяная бумага. Ее основа крошка из природной слюды, скрепленная жаростойким связующим составом. Несколько слоев такой бумаги спрессовываются и подвергаются обработке под высоким давлением и температурой, в результате чего получаются пластины требуемого размера.

Для обеспечения эксплуатационных качеств и механической прочности миканитовые «сэндвичи» выпускаются в корпусе из тонкого металла, что позволяет создавать нагреватели различной формы. На рисунке 11 показаны плоский миканитовый нагреватель и нагреватель в виде манжеты. Подобные нагреватели применяются в оборудовании для обработки пластмасс, температура плавления которых находится в диапазоне 180…240°C, что вполне допустимо для миканитовых нагревателей.

Миканитовые нагреватели

Рисунок 11. Миканитовые нагреватели

Для улучшения теплопередачи нагреватели в металлических корпусах прижимаются к нагреваемому элементу с помощью металлических скобок и хомутов, а то и просто обвязываются проволокой.

В настоящее время существует великое множество различных систем и конструкций нагревателей, позволяющих выполнять любые технологические задачи. В этой статье было рассказано лишь о незначительной их части. Если кто-то заинтересовался этой проблемой всерьез, конкретно каким-либо типом нагревателя, технологией его применения, то подобную информацию всегда можно найти в поисковых системах Интернета.

Смотрите также: Современные бытовые электрические обогреватели


Сейчас самое время поделиться статьей и добавить ее в закладки!


Тематические разделы: Начинающим электрикам, Как это устроено

Другие статьи:

  • Интересные факты об инфракрасном отоплении
  • Современные бытовые электрические обогреватели. Продолжение
  • Инфракрасные обогреватели
  • Инфракрасные системы отопления
  • Современные бытовые электрические обогреватели
  • Электрические нагревательные элементы

  •  
      Комментарии:

    #1 написал: Юрий | [цитировать]

     
     

    Добрый день. Интересные статьи. Кстати могу делать нагревательные элементы на кварцевых трубках с спиралью из фехраля. Может кого то интересует?
    С уважением, Юрий

      Комментарии:

    #2 написал: Евгений | [цитировать]

     
     

    Здравствуйте. Нам нужно обогреть беседку, которая закрыта с трех сторон. Площадь обогрева 15кв.м. Панели хотелось бы спрятать в потолок. Диапазон температур -15 до-40. Xто посоветуете?

      Комментарии:

    #3 написал: валера | [цитировать]

     
     

    спасибо!

    Добавление комментария
    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Введите код: *

    Электрика дома  | Электрообзоры  | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Электромастерская | Электротехнические новинки

    Электрик Инфо - электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, обзоры электротехнических новинок, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.
    Copyright © 2008-2016 electrik.info
    Е-mail: electroby@mail.ru Сайт в Google+
    Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Полезное

    Светодиодные лампы и светильники IEK