Современные электрические нагреватели. Аналитический обзор.

Электрические нагреватели для термопластавтоматов, экструдеров, пресс-форм и другого технологического оборудования предназначены, как правило, для нагрева в воздушной среде различных деталей и узлов до температуры не более 400ºС.

Передача тепла от теплогенерирующего элемента (далее ТГЭ) к нагреваемому объекту при отсутствии воздушных зазоров на этом участке осуществляется за счет теплопроводности, а при наличии воздушных зазоров - за счет теплопроводности и излучения.

Так как передача тепла излучением при низких температурах ТГЭ неэффективна, то на практике используют температуры 1000ºС и более.

При этом ресурс работы ТГЭ оказывается небольшим. Кроме этого, разогрев до таких температур требует значительных затрат электроэнергии, то есть КПД нагревателей с лучистым теплообменом мал.

Отсутствие воздушных зазоров между ТГЭ и нагреваемым объектом позволяет свести к минимуму термическое сопротивление на участке ТГЭ – нагреваемый объект и передать тот же самый тепловой поток, что и электрические нагреватели с лучистым теплообменом, при значительно более низкой температуре ТГЭ, а, следовательно, увеличить ресурс его работы, повысить КПД и уменьшить энергопотребление электронагревателей.

Поскольку по ТГЭ идет ток, как правило, с опасным для жизни человека напряжением, то он должен иметь надежную электрическую изоляцию от оболочки электрического нагревателя и нагреваемого объекта. Изоляция должна хорошо проводить тепло и работать при температурах ТГЭ. В современных электронагревателях преимущественно используются следующие изоляторы:

• Керамические наборные;
• Керамические в виде "обмазки";
• Слюдосодержащие материалы;
• Периклазы и аналогичные порошковые материалы.

Электрические нагреватели с керамическими наборными изоляторами передают тепло нагреваемому объекту практически только излучением, имеют максимальные плотности теплового потока до 8 Вт/cм², но в большинстве случаев не соответствуют технике безопасности, имеют малый ресурс работы, большую массу и габариты, энергоемки и уступают практически по всем параметрам элоктронагревателей с другими изоляторами. Если учесть, что при этом они имеют еще и высокую стоимость, то это делает их неконкурентоспособными – см. статью "Керамические нагреватели – вчерашний день промышленного нагрева".

Электрические нагреватели с керамическими изоляторами в виде «обмазки» спиралевидных ТГЭ передают тепло нагреваемому объекту за счет теплопроводности, имеют максимальные плотности теплового потока до 15 Вт/см², но используются, как правило, для малых объектов, так как при «обмазке» спиралевидных ТГЭ большого диаметра резко увеличивается их размеры, масса и растет энергопотребление. Стоимость электрогагревателей с такими изоляторами велика.

Электрические нагреватели с изоляторами из слюдосодержащих материалов передают тепло нагреваемому объекту за счет теплопроводности, имеют максимальные плотности теплового потока до 8,5 Вт/cм², неограниченны размерами нагреваемого объекта, имеют высокий КПД и малое энергопотребление, большой ресурс работы и высокую надежность работы в необходимых диапазонах рабочих температур, могут иметь высокую степень защиты оболочки от воздействия окружающей среды, малую толщину, массу и тепловую инерцию, дешевле чем электрические нагреватели с керамическими изоляторами. Однако технический уровень таких электрических нагревателей сильно зависит от уровня разработки и технологии изготовления. Это подтверждается цифрами, указанными в разделе "Карта технического уровня".

Как видно из таблицы, максимальная плотность теплового потока, в зависимости от поставщика, колеблется от 4 и ниже до 8,5 Вт/cм^². Наиболее высокие показатели среди поставщиков имеют "Watlow" и "БелТерм".

Электрические нагреватели с изоляторами из периклазов и аналогичных порошковых материалов цилиндрической и прямоугольной формы (ТЭНы, патронные) выпускаются давно, хорошо известны, гостированы еще в бытность СССР и в рассматриваемом классе оборудования используются редко. К современным электронпагревателям с такими изоляторами можно отнести канальные нагреватели (спиральные нагреватели) для горячеканальных пресс-форм. Они изготавливаются из прямоугольных труб малого сечения и могут завиваться в цилиндрическую спираль. Способ передачи теплового потока к нагреваемому объекту - теплопроводность и излучение, рабочие температуры на поверхности электронагревателя более 700ºС.

Поскольку передача теплового потока к нагреваемому изделию в этих электрических нагревателях происходит через воздушные зазоры, то их КПД невелик, а затраты энергии и стоимость большие. Несколько улучшить энергетические характеристики таких электрических нагревателях позволяет использование наружных рефлекторных труб и внутренней оболочки, устанавливающейся на нагреваемый объект по плотной посадке. При этом стоимость электронагревателей становится еще больше, а сложность монтажа на нагреваемый объект увеличивается.

В качестве альтернативы, указанным выше электрическим нагревателям, в большинстве случаев для объектов, имеющих диаметры 25 мм и более, значительно дешевле и проще использовать кольцевые нагреватели семейства "ThermoRang 8,5" (поставщик "БелТерм"), передающие тепловой поток объекту теплопроводностью и имеющие более высокие показатели по надежности и энергопотреблению.

Разнообразие конструкций нагреваемых объектов определяет и разнообразие конструкций электронагревателей.

Сегодня на рынке современных электрических нагревателей представлены кольцевые (они же хомутовые, бандажные, обручевые), в том числе, раскрываемые для установки на нагреваемый объект и заменяющие в большинстве случаев полукольцевые и дугообразные, но имеющие упрощенный монтаж и подключение, плоские, спиральные и т.д. со всеми видами изоляторов, перечисленными выше.

При этом наилучшее соотношение "цена - качество" имеют высококачественные электрические нагреватели с изоляторами из слюдосодержащих материалов таких поставщиков как "WATLOW" и "БелТерм". Располагая технологиями изготовления электронагревателей с плотностью теплового потока до 8,5 Вт/cм², они могут создавать высоконадежные компактные конструкции кольцевых, плоских и др. электрических нагревателей, просто встраиваемых в современное технологическое оборудование, и в большинстве случаев заменять устаревшие энергоемкие электрические нагреватели.