Экспериментальные исследования нагревательной ленты

С эффектом преобразования электрической энергии в тепловую человечество столкнулось с момента открытия электричества. Прохождение электрического тока через проводники или полупроводники неизбежно сопровождается потерями энергии ввиду столкновения электронов с решеткой атомов токопроводящего материала, в результате чего диссипация энергии приводит к выделению теплоты и нагреву материала.

В одних случаях с этим явлением борются, что, в конечном счете, привело к созданию сверхпроводимых материалов. В других случаях его стараются усилить и используют специальные металлы и их сплавы, обладающие повышенным электрическим сопротивлением.

Побочное явление, которое связано с нагревом токопроводящих материалов, также не осталось невостребованным. Использование указанного эффекта обеспечило возможность создания конструктивно простых и относительно безопасных электронагревателей на основе материалов с повышенным электрическим сопротивлением.

Конструктивное исполнение электрических нагревателей на текущий момент самое разнообразное: открытая нить или спираль накаливания в рефлекторах и конвекторах; закрытая нить или спираль в трубчатых электрических нагревателях (ТЭН), которые могут располагаться как в воздухе, так и в жидкости; открытая или закрытая полоса в плоских электрических нагревателях. Практически везде среди перечисленных конструкций используются такие металлические сплавы как нихром, фехраль или их аналоги.

Существенным недостатком использования указанных сплавов является то, что для обеспечения необходимого теплообмена с окружающей средой при очень малой площади поверхности необходима ее температура порядка 5ОО—55О°С.

Это приводит к следующим негативным последствиям:

• повышенной пожароопасности;
• загрязнению окружающей среды продуктами сгорания аэрозольных частиц, находящихся в воздухе;
• существенному перегреву выходящего воздуха, что, в некоторых случаях, запрещается нормативными документами;
• частыми случаями выхода из строя нагревательного элемента ввиду перегорания нити.

Отмеченные недостатки свидетельствуют о необходимости проведения исследовательских работ в отношении поиска новых токопроводящих материалов, которые способны заменить нихром и т.п. сплавы и устранить их негативные качества.

Цели и объекты исследований

Экспериментальные исследования ленты нагревательной (далее ЛН) проводились с целью определения возможности ее использования в качестве рабочего элемента электронагревателя.

При этом определялись следующие электрические и тепловые параметры объекта испытаний:

• потребляемая электрическая мощность, W [Вт];
• удельная мощность, Q' [Вт/м]
• электрическая напряженность, Е [В/м];
• удельное электрическое сопротивление, R' [Ом/м];
• температура поверхности ленточного нагревателя, tn [°C ];
• конвективное и лучистое тепловыделение, QK , Qp [Вт].

Испытания проводились на аттестованном теплотехническом стенде Восточно-украинского национального университета имени Владимира Даля (Аттестат №65 от 21.07.2004 г. выданный ГП «Луганскстандартметрология»).

Теплоэнергетическим испытаниям подвергались два образца ленты нагревательной плотностью 163 г/м2 (далее ЛНМ) и 390 г/м2 (далее ЛНБ) шириной 47 мм и длиной 3 м, которые устанавливались V-образно на прямоугольной рамке (рис.1).

• 1 – ленточный материал;
• 2 – рамка;
• 3 – керамические изоляторы;
• 4 – клемма

• 1 – рамка с ЛН;
• 2 – входной коллектор;
• 3 – переходник;
• 4, 5 – трубопроводы;
• 6 – фольгированная теплоизоляция;
• 7 – мотор-вентилятор;
• 8 – много лопаточный экран;
• 9 – микроманометр;
• 10 – сегментная диафрагма;
• 11, 12 – термометры

Рамка с лентой нагревательной устанавливалась во всасывающем коллекторе теплотехнического стенда (рис.2, 3). Для минимизации тепловых потерь (в том числе и радиационных) с проточной части стенда на его внешней стороне укладывалась двухслойная фольгированная теплоизоляция из минеральной ваты. Максимальное поглощение лучистого теплового потока, направленного во внутреннюю часть стенда, обеспечивалось покрытием указанных поверхностей матовой эмалью черного цвета.

Целью предотвращения искажения результатов измерения температуры воздуха в воздушном тракте стенда устанавливался многолопаточный экран, который не допускал прямого попадания лучистой составляющей выделяемой теплоты ЛН на измерительную часть термометра, но обеспечивал прохождение воздуха.

Выводы

1. Приведенное электрическое сопротивление двух образцов ленты нагревательной составило для ЛНБ – 11,75 Ом/м и, соответственно, для ЛНМ – 14,75 Ом/м с незначительным отклонением от указанных значений при изменении температуры на ее поверхности.

2. Температура поверхности ЛНБ превышает аналогичный показатель для ЛНМ на 25–26% как при свободной конвекции воздуха, так и при принудительном обдуве.

3. Определена зависимость температуры поверхности ЛН от принудительного обдува, в результате чего при изменении расхода воздуха (и соответственно, его скорости) на 78% температура поверхности ЛНБ изменяется от 7% до 20%, причем меньшие значения соответствуют меньшей электрической напряженности. Для ЛНМ при тех же значениях изменения расхода воздуха температура поверхности изменяется от 10% до 18%. Менее плотная структура материала ЛНМ обеспечивает интенсивный теплообмен с большей частью его слоев, ввиду чего изменение температуры поверхности происходит более равномерно.

4. При увеличении электрической напряженности и уменьшении подвижности воздуха отношение лучистого теплового потока к конвективному увеличивается, однако имеет тенденцию к стабилизации. Наибольшие значения данного параметра отмечены для ЛНМ и составили 0,62–0,63 в диапазоне электрической напряженности 70–80 В/м.

5. Указанные значения отношения лучистого теплового потока к конвективному характерны только для рефлекторов, которые ввиду существенно более высокой температуры нагревательной нити имеют большую пожарную опасность. В классических конвекторах или калориферах данное отношение находится в диапазоне 0,1...0,2 что не обеспечивает достаточной эффективности использования лучистого теплового потока.

6. Проведенный сравнительный анализ различных вариантов обогрева помещений показал, что при текущей стоимости энергоносителей наиболее дешевым способом обогрева является использование природного газа. Однако его применение связано с повышенной пожароопасностью системы, негативным воздействием продуктов сгорания на окружающую среду.

7. Использование электричества для обогрева помещений становится целесообразным только при использовании лучистой компоненты суммарного теплового потока электронагревателей. Исходя из условий эксплуатации затрачиваемая тепловая мощность системы отопления и затраты денежных средств могут быть уменьшены в 1,8–2 раза.

8. Проведенные экспериментальные исследования и расчет эффективности использования электронагревателей указывает на то, что ленту нагревательную рекомендуется использовать преимущественно в конвекторах. Принудительный обдув вентилятором ленты нагревательной приводит к уменьшению температуры поверхности ленты и, соответственно, лучистой компоненты теплового потока, в результате чего эффективность использования ленты нагревательной становится существенно меньше.

9. Достаточно широкий возможный диапазон вариации параметров ленты нагревательной (электрическое напряжение, сопротивление, мощность и температура) позволяет отметить возможность использования ЛН для обеспечения локального обогрева, например, теплые полы, обогрев сидений и подлокотников в транспортных средствах и жилых помещениях, электрообогреваемые матрацы и покрывала, и т.д.

Заключение

Использование ленты нагревательной является целесообразным к применению в электрообогревательных устройствах.

Лента нагревательная с меньшей плотностью (163 г/м2 ) характеризуется наилучшими интегральными теплоэнергетическими показателями, ввиду чего рекомендуется к приоритетному использованию в нагревателях.

Следует провести доработку материала ленты нагревательной с целью повышения его рабочей температуры и эффективности использования в электрообогревателях.

Широкий диапазон изменения параметров ленты нагревательной обеспечивает возможность ее применения для систем локального обогрева, таких как: теплые полы, электрообогреваемые сиденья, матрацы и покрывала.