Какие сплавы используют для изготовления нагревательных элементов

Прецизионные сплавы для изготовления нагревателей промышленных печей

Прецизионные сплавы для изготовления нагревателей промышленных печей

Осуществляем поставки прецизионного материала для элементов нагрева

Нагревательный элемент – важный конструктивный компонент промышленной электрической печи, определяющий работоспособность нагревательной установки, в том числе поддержание требуемой температуры в зоне нагрева. Исходя из условий эксплуатации, элементы должны отвечать соответствующим производственным требованиям.

Основные требования к материалам нагревателей:
Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью и жаропрочностью

Жаропрочность – способность материалов работать в зонах повышенной температуры без заметной деформации и разрушения.
Жаростойкость или окалиностойкость – сопротивление металлов к окислению при высоких температурах.

Нагреватель в электропечи должен состоять из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением

Из курса физики известно, что от длины, поперечного сечения и электрического сопротивления зависит температура нагрева вещества. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагревательный элемент большей длины и меньшей площадью поперечного сечения. Для таких нагревателей нужно строительство печей больших объёмов, что увеличит время нагрева заготовки, а также экономические затраты на электроэнергию. Помимо этого, от сечения проволоки зависит срок службы нагревателя.
Примерами материалов с высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый или нихром (Х20Н80, Х15Н60), железохромоалюминиевый или фехраль (Х23Ю5Т), относящиеся к прецизионным сплавам.

Малый температурный коэффициент сопротивления – существенный фактор при выборе нагревателя

При изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя должно изменяться в допустимых пределах. Если температурный коэффициент сопротивления тока велик, то для запуска печи придётся использовать понижающие трансформаторы.

Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными

Некоторые материалы, например, неметаллический нагреватель из карборунда, со временем могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление. Этот факт усложняет условия эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления приходится использовать многоступенчатые трансформаторы для компенсации напряжения.

Металлы и сплавы должны обладать хорошими технологическими свойствами

Основные физические свойства металлов для промышленных нагревателей: эластичность и свариваемость – без этих свойств изготовление нагревателей из сплавов невозможно.

Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью и жаропрочностью

Жаропрочность – способность материалов работать в зонах повышенной температуры без заметной деформации и разрушения.
Жаростойкость или окалиностойкость – сопротивление металлов к окислению при высоких температурах.

Нагреватель в электропечи должен состоять из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением

Из курса физики известно, что от длины, поперечного сечения и электрического сопротивления зависит температура нагрева вещества. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагревательный элемент большей длины и меньшей площадью поперечного сечения. Для таких нагревателей нужно строительство печей больших объёмов, что увеличит время нагрева заготовки, а также экономические затраты на электроэнергию. Помимо этого, от сечения проволоки зависит срок службы нагревателя.
Примерами материалов с высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый или нихром (Х20Н80, Х15Н60), железохромоалюминиевый или фехраль (Х23Ю5Т), относящиеся к прецизионным сплавам.

Малый температурный коэффициент сопротивления – существенный фактор при выборе нагревателя

При изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя должно изменяться в допустимых пределах. Если температурный коэффициент сопротивления тока велик, то для запуска печи придётся использовать понижающие трансформаторы.

Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными

Некоторые материалы, например, неметаллический нагреватель из карборунда, со временем могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление. Этот факт усложняет условия эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления приходится использовать многоступенчатые трансформаторы для компенсации напряжения.

Металлы и сплавы должны обладать хорошими технологическими свойствами

Основные физические свойства металлов для промышленных нагревателей: аластичность и свариваемость – без этих технологических операций изготовление нагревателей из сплавов невозможно.

Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью и жаропрочностью

Жаропрочность – способность материалов работать в зонах повышенной температуры без заметной деформации и разрушения.
Жаростойкость или окалиностойкость – сопротивление металлов к окислению при высоких температурах.

Нагреватель в электропечи должен состоять из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением

Из курса физики известно, что от длины, поперечного сечения и электрического сопротивления зависит температура нагрева вещества. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагревательный элемент большей длины и меньшей площадью поперечного сечения. Для таких нагревателей нужно строительство печей больших объёмов, что увеличит время нагрева заготовки, а также экономические затраты на электроэнергию. Помимо этого, от сечения проволоки зависит срок службы нагревателя.
Примерами материалов с высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый или нихром (Х20Н80, Х15Н60), железохромоалюминиевый или фехраль (Х23Ю5Т), относящиеся к прецизионным сплавам.

Малый температурный коэффициент сопротивления – существенный фактор при выборе нагревателя

При изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя должно изменяться в допустимых пределах. Если температурный коэффициент сопротивления тока велик, то для запуска печи придётся использовать понижающие трансформаторы.

Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными

Некоторые материалы, например, неметаллический нагреватель из карборунда, со временем могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление. Этот факт усложняет условия эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления приходится использовать многоступенчатые трансформаторы для компенсации напряжения.

Металлы и сплавы должны обладать хорошими технологическими свойствами

Основные физические свойства металлов для промышленных нагревателей: эластичность и свариваемость – без этих свойств изготовление нагревателей из сплавов невозможно.

В промышленной печи происходит нагрев более 900 °C

Материалы для изготовления нагревателей:

Во многих отраслях промышленности для изготовления нагревателей электропечей применяются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.

К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые).

Представителем группы хромоникелевых сплавов является нихром марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), железохромоалюминиевых – фехраль марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350 °С), Х23Ю5 (950-1200 °С), Х15Ю5 (750-1000 °С).
Также используются железохромоникелевые сплавы — Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Изделия из этих сплавов обладают достаточными жаропрочными и жаростойкими свойствами для работы при высоких температурах. Жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, образующаяся на поверхности материала. Температура плавления оксидного слоя хрома выше, чем у сплава, при этом отсутствует деформация на поверхности при нагреве и охлаждении.

Нихром для изготовления нагревательных элементов. Часть 1: виды и свойства

Семейство нихромовых (Ni-Cr) сплавов имеет долгую и успешную историю применения в нагревательных системах, начиная с начала 1900-х годов. Таким образом, фактический большой опыт эксплуатации нагревателей и промышленных печей позволяет с уверенностью использовать эти сплавы для новых и существующих конструкций электронагревателей.

Основными производителями сплавов никеля и хрома являются такие компании, как Haynes International (США), VDM Metals (Германия), Special Metals Corporation (США), Rolled Alloys (США), Sandvik Materials Technology (Швеция) и ThyssenKrupp (Германия), Kanthal AB (Швеция); Nippon Yakin Kogyo Co. Ltd. (Япония) и китайские производители Shanghai Tankii Alloy Material Co. Ltd. и Jiangsu Huntec Alloys Technology Co. Ltd. В России также есть несколько производителей нихромовой проволоки, но большинство производителей не плавят сплавы, а прокатывают их из материала, плавленного другими производителями.

Введение в сплавы для нагрева сопротивлением

Материалы для электрического нагрева зависят от сопротивления электрическому току для выработки тепла. Медная проволока не сильно нагревается при передаче электричества, поскольку обладает хорошей электропроводностью. Таким образом, чтобы сплав в виде проволоки, ленты или полосы мог работать как электрический нагревательный элемент, он должен сопротивляться потоку электричества. Большинство распространенных сталей и сплавов, таких как нержавеющая сталь, действительно сопротивляются потоку электричества. Мера этой характеристики называется удельным сопротивлением. В Северной Америке общепринято использовать омы/КМФ (омы на круговой мил фут) для выражения сопротивления, и вы можете найти массу справочной информации с данными в этих единицах измерения. Но в России наиболее распространенной единицей удельного сопротивления является ом мм2/м (ом миллиметр квадратный на метр). Если бы главным фактором для электрического нагревательного элемента было бы только удельное сопротивление, выбор мог бы быть из многих вариантов сплава в широком диапазоне стоимости. Однако по самой своей природе электрический нагревательный элемент нагревается, обычно докрасна, а обычные сплавы просто не выдерживают такого нагрева в течение длительного времени. Они выходят из строя, и это называется низкой жизненной способностью в качестве нагревательного элемента.

1. Высокое удельное сопротивление (сопротивление потоку электричества)
2. Хороший срок службы или выносливость в качестве нагревательного элемента.

Эти семейства сплавов можно разделить на шесть основных групп.

• Никель-хромовые сплавы (нихром)
• Железо-хром-алюминиевые сплавы (фехраль)
• Медно-никелевые сплавы: для использования при низких температурах.
• Нержавеющая сталь, монель и прочее: для использования при относительно низких температурах (никель-марганцевый, чистый никель, монель, никель-кремний)
• Сплавы для работы в вакууме (молибден, вольфрам, тантал)- большое изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры
• Неметаллические материалы специального назначения (карбид кремния, дисилицид молибдена, хромит лантана)

Хотя для полноты перечислены все семейства сплавов, в этой статье рассматриваются только никель-хромовые сплавы. Это потому, что они, безусловно, наиболее широко используются в России.

Наиболее распространенными марками являются Х20Н80, Х15Н60, Х20Н80-Н (-Н-ВИ), Х15Н60 (-Н-ВИ), Н50К10 и Х25Н20. Каждая марка имеет свой состав и характеристики, которые определяют ее область применения.

• Х20Н80. Классический сплав Х20Н80 состоит преимущественно из никеля и хрома. Он имеет высокую термостойкость и хорошо подходит для работы при высоких температурах. И хотя принято считать, что в Х20Н80 именно 80 процентов никеля и 20% хрома, но на самом деле ГОСТ допускает микролегирование сплавов, улучшающее их характеристики. К примеру, Х20Н80 может содержать хрома 20-23%, никеля 73-79%, алюминия до0,2%, кремния 0,9-1,5%, марганца до 0,7%, титана до 0,3%, железа до 1,5%, углерода — до 0,1%, серы до 0,02% и фосфора до 0,03%.
• Х15Н60. Сплав Х15Н60 имеет более высокое содержание железа (до 25%) и немного меньше никеля и хрома, что делает его более экономичным, но менее термостойким.
• Сплавы Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ) получаются в вакуумных индукционных печах и отличаются стабильным электросопротивлением при изменении температуры.
• Марки Н50К10 и Х25Н20 применяются для работы при температурах до 900°C.

Расшифровка марок основана на обозначении процентного содержания состава. Буква Х обозначает хром, а Н — никель. Дополнительные буквы указывают на способ получения сплава, его категорию греющих элементов, использование в элементах сопротивления и т. д.

• ВИ — вакуумно-индукционная плавка;
• Н — категория нагревательных элементов;
• С — использование в элементах сопротивления;
• ТЭН — для нагревателей сухого типа.

Например, марка Х20Н73ЮМ-ВИ обозначает содержание хрома 20%, никеля 73%, алюминия 3%, молибдена 1,5%, марганца до 0,3%, титана до 0,05%, железа 2%, углерода — до 0,05%. Сплав был получен с помощью вакуумно-индукционного метода.

Сплавы и свойства

Свойства материалов при работе в качестве электрических нагревательных элементов существенно отличаются от их характеристик при комнатной температуре. Чтобы материал мог использоваться в качестве электрического нагревательного элемента, он должен обладать следующими характеристиками:

• Достаточно высокое сопротивление электрическому току, чтобы поперечное сечение не было чрезмерно маленьким.
• Хорошая прочность и пластичность при рабочих температурах.
• Низкий коэффициент температурной зависимости сопротивления, чтобы сопротивление при рабочей температуре не отклонялось.
• Хорошая устойчивость к прогрессивной окислительной реакции в воздухе при прерывистой работе.
• Хорошая обрабатываемость и способность принимать желаемую форму.

Было обнаружено, что четыре основных состава обладают этими желательными характеристиками: 80% Ni, 20% Cr; 70% Ni, 30% Cr; 60% Ni, 16% Cr, остаток Fe; 35% Ni, 20% Cr, остаток Fe.

60% Ni, 16% Cr, остаток Fe

35% Ni, 20% Cr, остаток Fe

Материалы для нагревателей

Свойства, упомянутые в предыдущей статье «Свойства нагревателей», сужают выбор до нескольких материалов. Наиболее распространенными материалами для нагревателей являются нихром, фехраль, дисилицид молибдена и карбид кремния. Эти материалы могут работать при высоких температурах из-за их устойчивости к высокотемпературному окислению. Другая группа состоит из графита, молибдена, вольфрама и тантала. Эти материалы окисляются при высоких температурах и используются только в вакууме или в печах, где атмосфера лишена кислорода.

Нихром. Никель-хромовый (Ni-Cr) сплав

Нихром является одним из наиболее широко используемых материалов для нагревательных элементов благодаря своей пластичности, высокому удельному сопротивлению и стойкости к окислению даже при высоких температурах. Наиболее распространенный состав никель-хромовых сплавов — 80/20 или 80% никеля, 20% хрома. Другие составы доступны в зависимости от производителя. Из-за своей высокой пластичности он обычно втягивается в проволоку при использовании в качестве нагревательного элемента. Обычное применение, которое демонстрирует это свойство, — это резаки для пенопласта с термоэлектрической проволокой. Максимальные температуры нагрева, достигаемые с помощью никель-хромовой проволоки, составляют от 1100 до 1200 ° C.

Фехраль. Сплав железо-хром-алюминий (Fe-Cr-Al)

Этот тип широко известен под торговой маркой Kanthal. Ферритные железо-хром-алюминиевые сплавы Kanthal обычно имеют химический состав от 20 до 24% хрома, 4-6% алюминия и остальное железо. Нагреватели железо-хром-алюминий используются из-за их гибкости и меньшей плотности по сравнению с Ni-Cr. Они также могут генерировать более высокие температуры, чем нихромовая проволока, которая составляет от 1300 до 1400 ° C. Поскольку в качестве основного металла используется железо, этот сплав имеет меньшую цену, чем Ni-Cr, который состоит в основном из никеля. Обратной стороной использования сплавов фехраля является снижение прочности нагревателей при более высоких температурах. Сплавы железо-хром-алюминий можно улучшить с помощью процесса, известного как порошковая металлургия. В этом процессе слиток сплава превращается в порошок и прессуется в матрицу. Затем его спекают или подвергают горячему прессованию (горячее изостатическое прессование) в атмосфере с регулируемой температурой для создания металлургической связи без полного плавления металлического порошка. Дисперсоиды добавляются в смесь сплава для усиления механических свойств материала с целью придания дополнительной прочности и ударной вязкости при более высоких температурах.

Дисилицид молибдена (MoSi2)

Дисилицид молибдена представляет собой тугоплавкий кермет (металлокерамический композит), который в основном используется в качестве материала нагревательного элемента. Это предпочтительный материал для высокотемпературных печей из-за его высокой температуры плавления и хорошей коррозионной стойкости. Нагревательные элементы из дисилицида молибдена производятся с помощью различных энергоемких процессов, таких как механическое легирование, синтез сгорания, ударный синтез и горячее изостатическое прессование. Нагреватели типа MoSi₂ могут достигать температуры нагрева до 1750 ° C. Недостатками использования силицида молибдена являются его низкая ударная вязкость в условиях окружающей среды и ползучесть при высоких температурах. Его хрупкость при комнатной температуре требует очень осторожного обращения. Повышенная вязкость достигается при температуре перехода от хрупкого к пластичному состоянию около 1000 ° C. С другой стороны, более высокая скорость ползучести вызывает легкую деформацию нагревательного элемента при высоких температурах. Наиболее распространенным типом элемента MoSi2 является конструкция U-образного стержня с двумя стойками, которая обычно подвешивается через свод печи и располагается вокруг стенок печи. Доступны другие формы, часто в сочетании с керамическими изоляторами, которые обеспечивают как механическую поддержку, так и теплоизоляцию в виде единого пакета.

Карбид кремния (SiC)

Это тип керамики, получаемый путем перекристаллизации или реакционного соединения зерен SiC при температурах выше 2100 ° C. Нагревательные элементы из карбида кремния представляют собой пористые тела (обычно 8-25%), в которых атмосфера печи может реагировать через поперечное сечение материала. Весь нагревательный элемент может постепенно окисляться, что приводит к увеличению свойств электрического сопротивления элементов с течением времени (обычно называемое «старением»). Обычно требуется источник переменного напряжения для поддержания желаемой выходной мощности элементов путем постепенного повышение напряжения на элементах в течение срока их службы. Это старение в конечном итоге ограничивает срок службы и производительность нагревательного элемента. Карбид кремния обладает множеством свойств, которые делают его пригодным для изготовления нагревательных элементов для очень высоких рабочих температур. Эта керамика не имеет жидкой фазы. Это означает, что элементы не будут провисать или деформироваться из-за ползучести при любой температуре, а внутри печи не требуются опоры. Кроме того, КЭН химически инертен по отношению к большинству технологических жидкостей, имеет высокую жесткость и низкий коэффициент теплового расширения. Нагреватели из карбида кремния могут достигать температуры нагрева от 1400 до 1500 ° C.

Графитовый нагреватель

Графит — это минерал, состоящий из углерода, в котором атомы расположены в гексагональной структуре. Этот минерал, также его синтетическая форма, является хорошим проводником тепла и электричества. Графит может выделять тепло при температурах выше 2000 ° C. При высоких температурах его электрическое сопротивление значительно увеличивается. Более того, он выдерживает термические удары и не становится хрупким даже после быстрых циклов нагрева и охлаждения. Основным недостатком использования графита является его склонность к окислению при температуре около 500 ° C. Продолжение использования в этом диапазоне в конечном итоге приводит к расходу материала. Графитовые нагревательные элементы обычно используются в вакуумных печах, где кислород и другие газы удаляются из камеры нагрева. Отсутствие кислорода предотвращает не только окисление расплавленных металлов, но и самого нагревательного элемента.

Молибден, вольфрам и тантал

Это тугоплавкие металлы со свойствами, аналогичными графиту при использовании в качестве нагревательных элементов. Среди этих металлов вольфрам имеет самую высокую рабочую температуру, но при этом он более дорогой. С точки зрения жизнеспособности молибден более популярен, поскольку он наименее дорог, но все же дороже графита. Как и графит, их можно использовать только в условиях вакуума, поскольку они обладают сильным сродством связывания с кислородом и даже с водородом и азотом. Они начинают окисляться при температуре от 300 до 500 ° C.

Материалы с положительным термическим коэффициентом (PTC)

Типичным материалом PTC является резина, но также может быть и керамика. Каучук PTC изготовлен из полидиметилсилоксана (PDMS) с наночастицами углерода. Нагреватели PTC обладают уникальным свойством, в котором нагреватель поддерживает или ограничивает ток, увеличивая электрическое сопротивление при повышении температуры. Это делает материал безопасным и пригодным для использования в одежде. Первоначально нагреватель потребляет полную мощность и нагревается из-за своего удельного сопротивления. Сопротивление материала увеличивается с ростом тепла и затем действует как изолятор. Это достигается без необходимости в каком-либо цикле обратной связи.

Нагревательные элементы

Нагревательные элементы — устройства различных видов, обеспечивающие выработку тепловой энергии используемой при решении инженерных задач. Элементы нагрева имеют различную конфигурацию, потребляемую мощность, различаются по видам и типам, применяются в установках, расходующих для работы тепло.

Материалы, из которых изготавливаются нагревательные элементы, могут представлять собой проволочную спираль, плоскую металлическую полосу либо тепловыделяющую равномерное тепло поверхность, полученную путём набора многослойных схем уложенных в определённом порядке.

Все выше перечисленные свойства определяют принципы работы нагревательных элементов. Область применения внушительна. Разнообразие видов позволяет применять их в различных технических устройствах связанных с использованием тепловых процессов. При этом особой популярностью пользуются плоские нагреватели —> плоские нагреватели позволяющие создать равномерный тепловой поток по всей поверхности теплопоглощающего объекта. Для оптимальной работы конструкции нагреваемой установки имеющей неровную поверхность применяются гибкие нагреватели >—> гибкие нагреватели, обеспечивающие равномерную передачу тепла независимо от изгибов разогреваемого механизма. Огромное количество технических устройств функционирующих в суровых климатических условиях (это любое опасное метеорологическое явление, способное нанести ущерб, вызвать серьезные социальные потрясения или привести к гибели людей), как правило, снабжаются принудительным подогревом, обеспечивая их бесперебойную работу. Снижение температуры окружающей среды может отрицательно сказаться на жизнедеятельности 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 (физиотерапевтический метод, или тепловая терапия повышающая внутреннюю температуру тела человека) и в повседневной деятельности человека. Они позволяют создать комфортные условия для работы и отдыха (условия, обеспечивающие высокую работоспособность человека и сохранение его здоровья) 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 (совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры) 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

Что такое нагревательный элемент — это устройство, применяемое при решении инженерных задач связанных с использованием нагрева физического вещества. Оно может иметь различные формы в зависимости от конкретных условии и способов применения при протекании термических процессов, а так же изготавливаться из разнообразных токопроводящих материалов.

Использование его в бытовых приборах позволяет обеспечивать нагрев какой-либо среды гарантирующей необходимые условия функционирования технических процедур связанных с употреблением тепла. Нагрев физического вещества (искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне) до нужной температуры процесс весьма затратный требующий, как правило, использования больших объёмов энергии. Поэтому немаловажным является применение нагревательного элемента с высокой производительностью и надёжностью при его эксплуатации. Тем самым можно добиться высоких показателей рентабельности выпускаемой продукции (отношение прибыли к себестоимости товаров) связанной с потреблением тепла.

Тепловые нагревательные элементы

Тепловые нагревательные элементы, как правило (за некими исключениями) создают тепло, преобразуя электричество. Ток проходя через разные преобразователи преобразуется в термическую энергию (форма энергии, зависимая от движения атомов, молекул или других частиц, из которых состоит объект), которая непосредственно принимает участие в работе по разогреву того или иного вещества путём распространения тепловой энергии в твёрдой материи, жидкостях и газах через конвекцию (физический процесс, при котором происходит передача тепловой энергии посредством различных потоков), 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 потребуется. При протекании некоторых термических циклов (изменение температуры материала деталей во времени) придаётся особое значение равномерности вырабатываемого тепла обеспечивающего высокое качество производимой продукции. Добиться такого итога можно с помощью тепловыделяющие поверхности плоской формы и лучше с маленькими расстояниями меж витками греющего провода, что позволяет создать наиболее неизменный тепловой поток (количество энергии, переносимое за единицу времени) через рассматриваемую поверхность сообразно всей площади обогревателя. Однако, как правило, создать тепловые нагревательные элементы с небольшими интервалами между проводами очень проблематично из-за возможности электрического пробоя (резкое возрастание тока в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике или полупроводнике). Приходится усиливать толщину изолятора, что в свою очередь ведёт к наращиванию межвиткового расстояния, а это может привести к скачкообразному распределению подогрева по всей площади. Некоторые примеры эффективного применения нагревательных элементов нового вида при решении технических задач с внедрением тепловых процессов представлены ниже по тексту.

Материалы нагревательных элементов

Материалы нагревательных элементов это совокупность химических материалов периодической таблицы обладающих выраженными металлическими свойствами с хорошей электрической и тепловой проводимостью (передача внутренней энергии путём движения электронов и микроскопических частиц внутри тела) применяемые при изготовлении нагревательных элементов. Тепловыделяющие поверхности являются основными источниками повышения температуры при протекании тепловых процессов (изменение макроскопического состояния термодинамической системы) в промышленном производстве. Поэтому выбор применяемого термоэлемента во многом зависит от вида и характеристики среды, в котором он будет использоваться. В соответствии со средой выбирается состав сплава. Производительность и срок службы нагревательных элементов зависят от природы материала применяемого при его изготовлении, который должен удовлетворять следующим качествам: высокая температура плавления (состояние, при котором твердое кристаллическое тело приобретает свойства жидкости); защита от окисления в открытой атмосфере; большая прочность на разрыв; достаточная пластичность (свойство твердых тел изменять размеры и форму под воздействием внешних нагрузок и сохранять ее, когда нагрузки прекращают действовать); большое электрическое сопротивление; низкий температурный коэффициент (зависимость электрического сопротивления от температуры и имеет размерность обратную температуре). Материал нагревателя по конструктивным особенностям может 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. Материалы нагревательных элементов представляют собой хромоникелевые прецизионные сплавы (группа сплавов с заданными физико-механическими свойствами)(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 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 (неравномерное распределение температур по поверхности нагревателя), возникающий в результате неоптимальной излучающей поверхности. Технология нагревательных элементов нового типа значительно отличается. Поэтому и материалы, применяемые для их производства, берутся другие. В состав материала нагревательного элемента входит: основа (металл, керамика или плёнка); диэлектрическая паста; контактная паста; резистивная плёночная дорожка; защитный диэлектрический слой (покрытие, состоящее из нескольких диэлектрических материалов-слоев). При этом тепловыделяющая поверхность получается в виде набора многослойных схем уложенных в определённом порядке на подложку (основу). Электрические нагреватели, на базе токопроводящей пасты полученные с использованием новой технологии, делают возможным получения сплошного равномерного теплового поля (совокупность значений температуры во всех точках тела в данный момент времени) на тепловыделяющей поверхности.

Изготовление нагревательных элементов

Изготовление нагревательных элементов это процесс производства высококачественных нагревательных элементов с хорошими техническими параметрами (физическая величина, характеризующая свойство технического устройства, явления или процесса) и большой надёжностью в работе. Гибкие плёночные нагреватели так же могут изготавливаться из проволочной спирали, помещённой в силикон, полиэтилен или стекловолокно. Им присуще те же проблемы что и для плоских нагревателей на металле . Решить вопрос неравномерности выделяемой энергии можно с помощью травления (технологический приём для удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием химических веществ) 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 таким образом что электрообогреватель получится с оптимальными электрическими характеристиками. Гравированные электрические нагреватели из фольги, как правило, сделаны из тех же сплавов что и сопротивление проволочных обогревателей, но изготавливаются с помощью фотоцинкографической операции (фотомеханический процесс, предназначенный для изготовления клише и печати с них полутоновых изображений) , которая начинается с непрерывного листа металлической фольги и заканчивается сложным резистивным рисунком. Этот процесс весьма затратный, что в конечном итоге слишком дорого для производителя. Таким же эффектом равномерного распределения тепла обладают устройства выполнение по энергосберегающей технологии на основе токопроводящих паст, в то же время расходы на производство нагревательных элементов с хорошими техническими параметрами и большой надёжностью в работе значительно ниже.

Свойства нагревательных элементов

Свойства нагревательных элементов — совокупность свойств нагревательных элементов применяемых в различных термических процессах. Они зависят от химического состава применяемых при изготовлении материалов, технологии производства, и физической среды в которой используется тепловыделяющий прибор.

Большинство нагревателей делаются из проволоки имеющей высокое резистивное сопротивление (пассивный элемент, в котором электрическая энергия необратимо преобразуется в какой-либо другой вид энергии, например, в тепловую, механическую, световую). Такие приборы, как правило, могут разогреваться до высоких температур, но в тоже время неспособны создать сплошной равномерный тепловой поток. Что негативно сказывается на качестве производимой продукции. Этого недостатка лишены плоские термоэлементы, изготовленные по энергосберегающей технологии обеспечивающие надёжную работу нагревательного элемента. Они не только способны производить равномерный нагрев по всей плоскости, но и позволяют значительно экономить электроэнергию по сравнению с другими электрообогревателями. Основные параметры плоских нагревателей даны в разделе «Плоские нагреватели»

Мощность нагревательного элемента

Мощность нагревательного элемента — это физическая величина, которая определяет скорость и количество преобразования электрической энергии в тепловую энергию . Преобразование электрической энергии в тепловую осуществляют электрические нагревательные элементы от внутреннего сопротивления, которых зависит их мощность. Электрические нагреватели это тепловыделяющие приборы, работающие сообразно принципу преобразования электрического тока в тепло. Все нагревательные элементы имеют одну и ту же цель: преобразовать электрическую энергию в тепловую энергию, а затем распределить ее через твердые частицы, жидкости или газы путем конвекции, теплопроводности или излучения . Когда электрическая энергия проходит через нагреватель, она попадает на сопротивление, которое превращает электрическую энергию в тепловую мощность. Количество вырабатываемой тепловой энергии коррелирует (статистическая взаимосвязь двух или более случайных величин) с тем, какое электрическое сопротивление препятствует протеканию тока через него.

Допустим, вы сделали сопротивление нагревателя как можно большим — фактически бесконечным. Тогда по закону Ома (напряжение = ток × сопротивление или U = I * R)

Где: U — напряжение между концами нагревательного элемента; I – протекающий по нагревателю ток; R — электрическое сопротивление нагревателя. Эта формула говорит о том, что ток, протекающий через ваш нагреватель, должен быть бесконечно малым (если I = U / R, ток стремится к нулю то, сопротивление R стремится к бесконечности). У нас будет огромное сопротивление и практически не будет тока а, следовательно, не будет выделяться тепло. Если кинутся в другую крайность и сделать сопротивление бесконечно малым, то возникнет другая проблема. Значение тока I будет огромным, а сопротивление R практически нулевым, возникнет эффект сверхпроводимости в результате чего ток будет проходить через нагреватель не выделяя тепла. Следовательно, в любом нагревателе необходим баланс (равновесие) между двумя крайностями: достаточным сопротивлением для выделения необходимого количества тепла и потребляемого для этого тока. Такой же вывод можно сделать и математически. Мощность нагревательного элемента — P, производимая потоком электричества, равна напряжению, умноженному на ток (P = Вольт × Ампер или P = U * I). Нам также известно из закона Ома, что U = I * R. Подставляя вместо напряжения U его значение, обнаруживаем что мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе равна I 2 *R. Другими словами, тепло соразмерно сопротивлению, но оно также пропорционально и квадрату тока. Отсюда вытекает вывод — ток оказывает гораздо большее значение на выработанное тепло, чем сопротивление. Если удвоить сопротивление, то удвоится производимая мощность. Но если удвоить значение тока, то мощность нагревателя увеличится в четыре раза. Поэтому значение тока это то, что существенно оказывает влияние на вырабатываемую мощность нагревательным элементом.

Равномерный нагрев поверхности

Равномерный нагрев поверхности физического вещества это создание условий, при которых температура нагрева равномерна как по всей плоскости нагревателя, так и теплопоглощающей поверхности. Устройства, производимые и использованием новой технологии, обладают уникальными свойствами по генерации сплошного теплового поля. Такая схема нагревательного элемента позволяет формировать равномерный нагрев рабочей теплопоглощающей поверхности. Эти устройства 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 тепла (электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела) 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 (форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц, из которых состоит тело) 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 (механические колебания машин и механизмов, которые характеризуются такими параметрами, как частота, амплитуда, колебательная скорость, колебательное ускорение) 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.

Нагревательный элемент плёнка

Нагревательный элемент плёнка – устройство, изготовленное с применением плёнки, имеющее малую толщину (порядка 0.15-0.5 мм.) и обеспечивающее выработку равномерного теплового потока по всей поверхности нагревательного элемента. Гибкие плёночные нагреватели , 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 (движение в состояние одного уровня, связанное лишь с перераспределением элементов, функций и связей в объекте) 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 гарантируя тем самым эффективную работу по передаче 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 (механические колебания механизмов, характеризующиеся такими параметрами, как частота, амплитуда, колебательная скорость, колебательное ускорение) позволяет использовать их на различном оборудовании в широких областях промышленности. На фото плёночные нагревательные элементы с выставки город Москва 2021 год.

Работа нагревательного элемента

Работа нагревательного элемента это процесс генерации тепла предназначенного для обеспечения работы нагревательного элемента при прохождении термодинамических процессов (изменение макроскопического состояния термодинамической системы). В данном разделе мы постараемся рассмотреть работу на примере функционирования нагревательных элементов на основе токопроводящей пасты имеющих плоскую поверхность. Плоские нагреватели, произведённые по энергосберегающей технологии, нашли широкое применение в бытовой и производственной технике. Они имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать в процессе их эксплуатации. Сравнительная характеристика тепловыделяющих поверхностей показывает насколько быстрее по сравнению с керамическими нагревателями, плоский нагреватель на металле меняет своё удельное сопротивление (физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока) в соответствии с ростом температуры. Такой электронагреватель, находясь ещё в холодном состоянии, обладает малым сопротивлением, потребляя большие значения токов, генерируя при этом высокую мощность. Быстро разогревшись до расчётной температуры рабочего режима, он переходит на потребление тока рекомендованного в сертификате соответствия. При этом происходит превышение потребляемой мощности (численная мера количества электрической энергии, необходимой для функционирования нагревателя) на 20% больше чем указано в документах на эксплуатацию. Этот цикл занимает порядка 20 – 30 секунд, что необходимо учитывать при проектировании схемы электрической разводки увеличивая запас по мощности не менее чем на 20% и если нужно 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. Анализ работы плоского нагревательного элемента показывает, что в первые секунды после включения интенсивность роста температуры, а так же процесс изменения сопротивления (тока в электрической цепи) идут обратно пропорционально по экспоненциальному закону. Из чего можно прийти к заключению о низкой инерционности (система стремится сохранить неизменным своё состояние) вхождения в рабочий режим. Эти свойства позволили эффективно использовать такие устройства на основе токопроводящих паст в авиационной и космической промышленности.

Виды нагревательных элементов

Виды нагревательных элементов – комплекс черт, технических характеристик и физических параметров, присущих нагревательным элементам различных видов работающих на электрической энергии. Нагреватели в зависимости от своего назначения, конфигурации объекта которому передаётся тепло и способа передачи тепловой энергии делятся на различные виды. По виду преобразования электрической энергии они делятся на резистивный, вихревой индукционный нагреватель , высокочастотный нагреватель . В этом разделе рассмотрим резистивные нагревательные элементы.

Они делаются из проволочной спирали или ленточной полосы, изготавливаемые из сплавов имеющие большое удельное сопротивление (физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока) либо в виде резистивной дорожки произведённой методом трафаретной печати (воспроизведение различных изображений при помощи трафаретной печатной формы). Эти нагревательные элементы подразделяются на 2 вида: открытые и закрытые. К первому виду относятся те, которые не имеют защиту от удара электрическим током, то есть отсутствует изоляция. Нагреватели, снабжённые защитой от пробоя, типа трубчатый нагреватель , относятся к закрытым видам. Мы с Вами попробуем детально рассмотреть нагревательные элементы нового вида, изготовленные по микроэлектронной технологии с использованием токопроводящей пасты и безопасным предохранением от окружающей среды диэлектрической плёнкой. К разновидности этих нагревателей можно отнести подогрев зеркал заднего вида автомобиля . Они показывают огромную стабильность к скачкам напряжения, наружным вибрациям, имеют маленький вес и готовы выгибаться в соответствии с профилем нагреваемого объекта.

Нагревательный элемент нового вида

Нагревательный элемент нового вида производится на основе токопроводящей пасты и представляет собой нагреватель, имеющий высокую производительность, небольшую толщину и значительную экономию расходуемой мощности (численная мера количества электрической энергии, необходимой для функционирования электроприбора или преобразуемой им в процессе функционирования). Тепловыделяющие устройства такого вида на плёнке, нержавейке или же керамике изготовленные по принципу плёночной технологии (метод изготовления пассивных электрических радиоэлементов и соединительных проводников на диэлектрической подложке путём нанесением на нее слоев электропроводящих, резистивных и диэлектрических паст) это безупречное решение обширного круга технологических задач. Гибкие нагреватели нового класса имеют маленькую толщину около 0.15-0.5 мм, что сравнимо с полиэтиленовой пленкой, использующейся для упаковки мебели. Для плоских приборов эта толщина равна порядка 1-3 мм. что соразмерно с толщиной картона тары перевозимого оборудования и в силу того что нагреватель имеет возможность принимать разные очертания то имеется возможность установки его на какую угодно плоскость трудного профиля. Наглядным примером такого применения может послужить электронагреватель круглой формы, установленный в современном электрическом чайнике. Допускается создание таких устройств со схожими геометрическими параметрами с разной удельной мощностью (отношение вырабатываемой или потребляемой устройством мощности к другому конструктивному показателю) по всей площади нагреваемой плоскости. Нагревательные элементы нового вида безупречно подходит там, где необходим жесткий и однородный температурный режим (границы показателей температуры, которые не должны нарушаться ни при каких условиях) по всей рабочей области. Так как они имеют небольшую массу, то это допускает до минимума уменьшить время реагирования (время, которое требуется системе или функциональной единице, чтобы отреагировать на внешнее воздействие) на изменение теплового режима. В свою очередь поддержание процесса передачи тепла с помощью терморегулятора и буквально мгновенная реакция термоэлементов на колебание подаваемой мощности даёт возможность установить температуру по всей площади подогрева практически неизменной, что заметно сказывается на качестве выпускаемой продукции и в целом уменьшает затраты производства. На снимке виды нагревательных элементов с выставки 2021 года город Москва.

Нагреватели с повышенным КПД

Нагреватели с повышенным КПД (коэффициент полезного действия).

КПД вычисляется по следующей формуле: КПД = (Выходная теплота / Затраченная энергия) * 100%

Где: Выходная теплота — количество теплоты, полученное в результате работы системы (измеряется в Дж или калориях); Затраченная энергия — количество энергии, затраченное на работу системы (измеряется в Дж или калориях).

Следующая формула связана с расчетом количества теплоты, полученного от источника или устройства: Q = Qвх * КПД

Где: Q — количество теплоты (в джоулях), полученное от источника; Qвх — количество теплоты, поданное на вход (в джоулях); КПД. Данная формула оценивает эффективность работы источника теплоты, учитывая его КПД.

Третья формула связана с определением количества теплоты, переданного от источника среде: Qвх = Q * КПД

Где: Qвх — количество теплоты (в джоулях), переданное от источника среде; Q — количество теплоты (в джоулях), полученное от источника; КПД. Эта формула помогает оценить, сколько теплоты фактически было передано из источника в среду.

Нагреватели новых видов, произведённые по энергосберегающей технологии, значимо выделяются от обычных электронагревателей. Тепло вырабатываемое ими поступает на теплопоглощающую (внутренняя поверхность нагреваемого предмета) поверхность равномерно без всяких преград. В большинстве обычных термоэлементах (примером может служить трубчатый нагреватель) вырабатываемая ими энергия подаётся на рабочую плоскость сквозь керамический изолятор (разновидность технической керамики, пригодная для использования в электроизоляции) являющейся обязательной частью самого устройства, без которого невозможно обойтись. В данном случае изолятор выступает в роли лишнего потребителя тепла, что снижает КПД самого тепловыделяющего устройства и делает невозможным создание непрерывного теплового поля (распределение температур в объеме или на поверхности нагреваемого или охлаждаемого объекта). Технология плоского нагревателя нового вида разрешает воплотить в жизнь непосредственную перекачку тепла к объекту без добавочных преград, что делает вероятным экономию потребляемой мощности в пределах 25 – 30%, тем самым резко увеличивается КПД устройства. Увеличение производительности работы в свою очередь уменьшает стоимость изготавливаемого продукта, существенно снижая нагрузку на электрические сети.

Нагреватели с повышенным КПД имеют небольшую толщину и высокую теплоотдачу (физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему) при незначительном весе, что позволяет им в целом занимать второстепенный объём в устройствах. Появляется оригинальная возможность наилучшим образом распределять механизмы (радиодетали) в рабочем объёме высвобождая при этом вспомогательное пространство или сокращать общие габариты разрабатываемой (используемой) аппаратуры. Преимущества нагревательных элементов, созданных по новой технологии, явны. Они допускают воплощение в жизнь ощутимую экономию (деятельность, направленная на рациональное и экономное использование преобразованной и первичной энергии и природных энергоресурсов) энергоресурсов, снижая издержки на производство выпускаемого продукта, что важно для увеличения производительности труда. Фото — Виды нагревателей с высоким КПД с выставки город Москва 2021 год.

Заказать нагреватель возможно как готовый с требуемыми техническими параметрами, так и создать по личному чертежу заполнив заявку на нагреватель и переслав её в представительство на электронный адрес onyxspb@mail.ru .

Представительство фирмы в Санкт-Петербурге тел. 8(812)452 45 40 или 8 931 354 20 56 принимает заявки на нагреватель и передаёт их в конструкторское бюро. Конструктор на базе переданного технического задания подбирает наиболее подходящий нагреватель, наличествующий на этот момент в производстве, или порекомендует разработку нового, в случае если характеристики предложенного не устроят клиента. При этом конструктор сделает расчёт и скажет покупателю цену, а так же сроки производства нагревателя. За заказчиком остаётся право на принятие решения о продолжении работы или отказа от последующего сотрудничества. Доставка выбранного нагревателя возможна в Екатеринбург, Нижний Новгород, Новосибирск, Челябинск, Томск, Саратов и другие города РФ.