Горячий трикотаж

Петровский В. Горячий трикотаж // ММ. Деньги и Технологии. 2003 . №4. C. 32-34

Применение высокоэффективных электротермических приборов, созданных на основе тканых нагревательных элементов, обеспечивает снижение энергопотребления технологического оборудования и затрат на обогрев производственных помещений



Бытует мнение, что в устройствах электронагрева ни геометрия источника тепла, ни его конструкция не имеют принципиального значения: сколько тепла ни выделится, в конечном итоге все попадет к потребителю. Этот вывод, безусловно, справедлив для термоизолированной системы, которая не обменивается теплотой с окружающей средой. Но такими системами являются только специальные устройства ? муфельные печи. Все остальные промышленные обогреватели представляют собой динамические системы с большими или меньшими теплопотерями в окружающую среду. В них количество тепла, которое идет на обогрев помещения или оборудования, всегда меньше величины, выработанной источником тепла. Разность этих тепловых величин (ее-то и не принимают во внимание!) расходуется в устройстве для поддержания функционально необходимой температуры его поверхности.

В общем случае все конструкции протяженных источников тепла могут быть приведены к двум формам ? плоской и цилиндрической. Из курса физики известно, что при одинаковой площади теплообмена термическое сопротивление цилиндрического (трубчатого) теплоизлучателя пропорционально его диаметру, а плоского ? его ширине. Вследствие этого при реальной толщине изоляции нагревателей для поддержания одной и той же температуры поверхности теплообмена (т. е. создания равных условий излучения тепла) для трубчатых элементов требуется в 1,5?3 раза большая мощность источника тепла, чем для плоских. Кроме того, энергетически более выгодно, когда теплоотдающая поверхность состоит из большого числа тонких и легких ребер (это преимущество плоских нагревателей справедливо до тех пор, пока на обтекающий их воздушный поток не начнет влиять близость соседних ребер.

Плоские нагреватели обычно изготавливаются в виде металлических пластин или лент. При этом наиболее широко известны алюминиевые теп-лоизлучающие пластины, которые используются в инфракрасных газовых нагревателях (о них читайте в ?ДиТ? № 6?7/2000 на с. 74).

Ленточные тканые нагреватели еще не получили широкого распространения, хотя они имеют значительно более широкий спектр применений, прежде всего благодаря тому, что могут принимать любую форму, тесно контактируя с поверхностями самой сложной геометрии. Очевидно, это связано с низкой информированностью потенциальных потребителей нагревательных приборов как бытового, так и промышленного назначения.

В нашей статье представлены характеристики тканых нагревательных элементов и примеры их эффективного использования в промышленности.

Нюансы электротекстильного производства

Ленточные нагреватели, выпускаемые в Германии и США, представляют собой конструкции со специальной укладкой тонких металлических спиралей, которые используются в нагревателях высокой тепловой мощности, предназначенных в основном для отопления. Область применения таких приборов в технологических процессах ограничена жесткостью конструкций, которая не позволяет выйти за рамки простых геометрических форм. Главной отличительной особенностью ленточных нагревателей, производимых в Украине, является их высокая гибкость ? почти такая же, как у трикотажных тканей. Да это, по существу, и есть ткань, которая изготовлена из токопроводящих и изоляционных нитей. По этой технологии могут быть также получены разнообразные плоские гибкие сетки, например, только из токопроводящих нитей. Однако такие сетки не обеспечивают равномерности распределения температуры по поверхности полотна, поэтому они используются очень редко.

Тканые нагревательные ленты, содержащие непрерывные металлические волокна, которые закреплены в электроизоляционной матрице, состоят из двух систем нитей, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу и соединенных по определенному закону. При этом различают две их конструкции: ленты, в которых металлическая компонента располагается по основе продольно, и ленты с поперечным расположением металлической компоненты (по утку).

Электроткань первого типа может быть изготовлена с использованием достаточно жестких металлических нитей (они близки по конструкции к обычным электрическим кабелям, но стоят дороже). Ленты второго типа эластичны благодаря тому, что в них использованы тонкие (0,2 мм и менее) провода, а их погонное сопротивление при производстве ткани можно задавать в пределах от 150 до 2500 Ом/м. Электрические свойства нагревательных лент определяются преимущественно структурой их изолирующего основания. При этом требуемое электрическое сопротивление ленты формируется за счет варьирования ее ширины, плотности укладки компонент и диаметра токопроводящей проволоки. Теплоотдачу ленты можно регулировать плотностью укладки нитей основы. Например, при использовании кремнеземных нитей рабочая температура тканой ленты может достигать 750 ?С. В этом случае лента работает еще и как своеобразный трансформатор излучения. Дело в том, что спектральный коэффициент излучения металлической нити невысок (около 0,27) и имеет максимум в области видимого спектра. При этом интенсивность ее теплового излучения в длинноволновой области также невелика.

В отличие от металлов кремнеземная нить имеет максимум теплового излучения в длинноволновой части инфракрасного спектра (4?6 мкм) и высокий спектральный коэффициент излучения (примерно 0,7). Нагреваясь от токоведущего слоя, кремнеземная нить начинает работать как длинноволновый излучатель, повышая эффективность источника тепла.

Полы, излучающие тепло

Известно, что производственные помещения обычно отличаются большой площадью, высокими потолками и частыми сменами воздуха через большие дверные проемы. В таких условиях конвекционный теплообмен неэффективен и приводит к большим энергетическим потерям. Поэтому для обогрева в цехах применяется ?теплый пол? или приборы лучистого отопления.

Современные решения ?теплого пола? на резистивных кабелях имеют большую материалоемкость (10?15 м кабеля на 1 м2 пола), высокую стоимость (не менее $30 на 1 м2) и низкую надежность из-за малой погонной мощности кабеля (10?15 Вт/м).

Достоинства тканых нагревательных лент ? большая площадь теплообмена, высокая равномерность температуры по поверхности ленты, в 10?15 раз большая, чем у кабелей, погонная мощность. Все это позволяет минимум на 25 % снизить капитальные затраты на создание отопительной системы, в 1,5 раза уменьшить материалоемкость (объем необходимых нагревательных элементов) и на 22?27 % сократить эксплуатационные затраты потребителя.

Прибор двойного назначения

Еще одним из распространенных видов обогревателей производственных помещений являются потолочные инфракрасные (ИК) излучатели. Типовый ИК-обогреватель представляет собой прибор с излучательной поверхностью из листового алюминия площадью до 0,25 м2 и мощностью от 300 до 4500 Вт. В этом случае капитальные затраты на обогрев составляют порядка $45 на 1 м2 при расходе электроэнергии около 150 Вт/м2.

В новых градиентных приборах электрообогрева с телом накала из тканой нагревательной ленты и кафельной поверхностью излучения сочетаются теплоаккумулирующая и излучательная способность с высокой гигиеничностью. Приборы имеют температуру поверхности 150 ?С и обеспечивают комфортную атмосферу на рабочем месте при расходе электроэнергии 90? 110 Вт на 1 м2 зоны отопления. С учетом низких капитальных затрат ($10? 15 на 1 м2 рабочей зоны) эти приборы весьма перспективны как источники тепла в производственных помещениях.

Комфорт на транспорте

Для быстрого прогрева воздуха в производственных помещениях часто применяют тепловентиляторы большой мощности. Как правило, такие приборы изготавливают с телами накала из открытой спирали или ТЭНов, мощностью от 5 до 60 кВт. При использовании этих приборов расход электроэнергии составляет почти ПО Вт/м2 при капитальных затратах около $9?10 на 1 м2 площади отапливаемого помещения.

Применение в тепловентиляторах тканых нагревательных лент повышает их эффективность в 1,4?1,6 раза и снижает расход электроэнергии до 80 Вт/м2.

Испытания тепловентиляторов с ткаными нагревателями, установленных в кабинах водителей пяти киевских троллейбусов, в течение двух отопительных сезонов показали их высокую эффективность. Энергозатраты на обогрев кабины водителя снизились с 10 до 3,6 кВт (до этого применялись обогреватели на ТЭНах). Причем тканые нагревательные элементы выдержали многократные колебания напряжения в сети в 1,5?2 раза больше допустимых значений. В таких условиях ТЭНы часто выходили из строя. Кроме того, за счет быстрого прогрева объема кабины и снижения уровня шума, по свидетельству водителей, значительно повысилась комфортность их работы.

Частые выходы из строя ТЭНов и высокое энергопотребление этих устройств создают большие проблемы и на железнодорожном транспорте. В пассажирских купе одного вагона установлено 80 обогревательных приборов на ТЭНах мощностью по 0,75 кВт и 12 приборов мощностью по 1 кВт ? в коридорах и тамбурах. При этом для обогрева вагона расходуется 72 кВт электроэнергии.

Использование приборов с ткаными нагревателями, которые обеспечивали в вагоне необходимый температурный комфорт, позволило снизить расход энергии на обогрев вагона до 35 кВт. К тому же проблемы с ремонтом и заменой вышедших из строя нагревательных приборов для проводников больше не существет.

Острова в океане

Технология производства тканых нагревательных элементов разработана и внедрена в производство в Институте проблем материаловедения НАН Украины около десяти лет назад. Ее совершенствование в совместной работе с НПП ?Градиент? продолжается и сегодня, благодаря чему спектр применения тканых нагревателей постоянно расширяется, обеспечивая решение все большего круга задач производства различной продукции и обогрева рабочих мест практически во всех отраслях промышленности.

Однако площадь этих ?островков? энергосбережения, обусловленного высокой энергоэффективностью ?трикотажных? электронагревателей, пока еще очень мала по сравнению с океаном энергорасточительства на наших предприятиях (в чем немалую роль играет использование нагревателей с открытой спиралью и ТЭНов). Но мы надеемся, что объемы применения тканых нагревательных элементов будут расти, уменьшая финансовые потери предприятий.

СПРАВКА

Из теплой ванны ? на мороз

Опыт длительной эксплуатации тканых нагревателей - самое убедительное свидетельство их высокой эффективности и надежности. Вот лишь некоторые примеры их работы:

? Бандажирование наружной поверхности гальванических ванн ткаными нагревательными лентами обеспечило их бесперебойную работу в течение 12 лет (применяемые до этого для нагрева ТЭНы, которые погружались в ванны, заполненные агрессивными средами, по несколько раз в год выходили из строя). При этом за счет быстрого достижения равномерности температуры жидкости в ванне потребление электроэнергии уменьшилось на 20 % по сравнению с энергозатратами при использовании ТЭНов.

? Применение тканых нагревателей для предотвращения замерзания водопроводов или образования гидратных пробок в газопроводах гораздо эффективнее и дешевле обогрева с помощью резистивных кабелей.

? Плоские нагреватели более десяти лет используются на тысячах стрелочных переходов железных дорог Украины (один стрелочный переход потребляет 3-6 кВт электроэнергии, обеспечивая безотказную работу оборудования даже при самых сильных морозах.