Керамический нагревательный. Критерии выбора электрического тепловентилятора. Где применяются современные нагревательные элементы?

К сожалению, центральные источники тепла не всегда в полной мере могут выполнять возложенные на них задачи. Поэтому зачастую приходиться прибегать к дополнительному способу обогрева. Решить проблему помогают обогреватели, которые на рынке представлены в широчайшем ассортименте. Одним из таких приборов является керамический нагреватель.

Особенности конструкции и принцип работы

В основе отопительной техники данного типа лежит керамический Причем он может быть задействован в абсолютно разных отопительных приборах, отличающихся не только внешним видом, но и принципом действия.

Исходя из способа подачи тепла, приборы делятся:

• На инфракрасные керамические нагреватели — нагревают предметы путем инфракрасного излучения;

• Керамические конвекторы — работают по принципу принудительной конвекции.

Керамические ИК-нагреватели оснащены нагревательной керамической трубкой с никель-хромированной спиралью внутри. Они могут быть полые, объемные или газовые. Такие приборы хотя и считаются лучшими среди аналогов, но используются не столь активно, потому как способны обогреть лишь определенный участок, находящийся в зоне действия инфракрасных лучей.

На сегодняшний день большой интерес вызывают (плиты), которые позволяют обеспечить теплом значительную площадь. Особенность обогрева заключается в том, что плита керамическая действует в двух направлениях одновременно: как конвектор и как инфракрасный обогреватель. Внутри конструкции находятся небольшие вентиляторы, которые прогоняют воздушные массы через теплообменник из керамики и равномерно выпускают в помещение уже прогретый поток воздуха. Плита керамическая имеет встроенный термостат, позволяющий устанавливать оптимальную температуру и предохраняющий само устройство.

Классификация по источнику энергии

Обогреватели могут работать не только от электричества, но и на сжиженном газе.
В зависимости от энергоносителя керамические нагреватели бывают:

Электрические. Наиболее практичные и распространенные. Из-за простоты и удобства в эксплуатации электрические керамические обогреватели часто используют для обогрева детских комнат. Они не сушат воздух и не съедают кислород. К тому же их можно использовать в местах с высокой влажностью воздуха.

Газовые. Работают за счет энергии, получаемой при сжигании высококалорийного пропана-бутана и по эффективности несколько уступают электрическим, хотя являются более дешевыми. Основная составляющая часть устройства — керамическая панель, внутри которой происходит беспламенное сгорание топлива. Газовый керамический нагреватель воздуха предполагает использование газового баллона, из которого топливо через шланг поступает к горелке. Чаще всего такие агрегаты применяют для отопления веранд, летних кафе, гаражей и складских помещений.

Классификация по типу размещения

По типу установки керамические обогреватели бывают:

Настольные — это компактные по размеру приборы, которые, как правило, имеют небольшую мощность и предназначаются для быстрого обогрева небольших комнат.

Настенные обогреватели снаружи напоминают кондиционер и устанавливаются на любой высоте. Такой керамический нагреватель не занимает полезное пространство и больше всего подходит для прогрева средней площади.

Напольные варианты являются самыми мощными и способны обогреть помещения с различной квадратурой.

Преимущества

К плюсам нагревателей с керамическими элементами можно отнести высокую эффективность, безопасность и надежность использования, создание оптимально комфортного микроклимата, быстрый прогрев помещения. Кроме того, по сравнению с традиционными они потребляют на треть меньше электроэнергии.

Керамические нагреватели имеют высокий уровень пожаробезопасности. Благодаря встроенному термостату обеспечивается защита от перегрева. Помимо всего прочего такие нагревательные приборы единственные, которые можно использовать в помещениях с повышенной влажностью. Многие модели оснащены антибактериальной защитой и ионизатором.

Дополнительное преимущество керамических обогревателей заключается в возможности их использования в жаркое время года в качестве вентилятора.

Недостатки

Как и все остальные нагревательные приборы, керамический нагреватель имеет свои недостатки. К ним относятся локальность действия ряда моделей, а также быстрое остывание помещения после отключения устройства. Многих покупателей смущает тот факт, что цена керамических обогревателей существенно выше остальных отопительных приборов. На самом деле при наличии стольких преимуществ это вполне оправдано.

Многие задаются вопросом: в каких случаях стоит покупать керамические нагреватели? Отзывы свидетельствуют, что данная климатическая техника отлично подходит для обогрева спален и детских комнат, так как практически не сушит воздух. Некоторые предпочитают использовать керамические приборы в ванной из-за их устойчивости к влаге.

Однако важно понимать, что керамический нагреватель ввиду мощносных характеристик не может полностью заменить основную систему отопления. Он способен лишь ее дополнить.

Выбирая прибор для дополнительного обогрева, прежде всего необходимо учитывать площадь помещения. Исходя из этого подбирается оптимальный тип климатической техники и ее мощность. Так, идеальным вариантом для маленькой комнаты будет настенный обогреватель, который сэкономит пространство и эффективно его прогреет. Кроме того, следует принимать во внимание степень закрытости помещения: электрические керамические приборы подходят для внутреннего обогрева, а газовые — для открытых площадок.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 . 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.

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.

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.

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.