308-02 | Сотовые керамические электронагреватели (СКЭНы)

Главная страница        >> Каталог технологий        >> Энергетика. Энергосберегающие технологии
 
 
































































































































Рис. 1. Нагревательный диск из титаната бария тепловентилятора производства совместного украинско-американского предприятия "ELPEK"

































































Рис. 2. Образцы сотовой электропроводной керамики
































































Рис. 7. Общий вид керамического элемента СКЭНа







Рис. 9. Конвективный элемент на базе СКЭНа
































Рис. 10. Конвекторы на основе СКЭНов.
 

Сейчас на рынке представлен достаточно широкий ассортимент нагревательных приборов, позволяющий найти компромисс между невозможностью потратить астрономические суммы на ремонт и естественным желанием обеспечить в доме комфортные условия.

Наиболее распространенные бытовые электронагревательные приборы подразделяются на:

  • устройства, в основе действия которых лежит принцип вынужденной конвекции. К ним, в частности, относятся тепловентиляторы малой и большой мощности, тепловые пушки, тепловентиляторы с распределенной подачей воздуха – тепловые завесы;
  • устройства, реализующие принцип естественной конвекции, в частности, масляные радиаторы и электрические конвекторы;
  • устройства, работа которых основана на принципе теплового излучения (ИК-излучающие панели).

Самыми популярными на российском рынке бытовых приборов остаются два типа обогревателей – масляные радиаторы и тепловентиляторы. Однако следует отметить постоянно возрастающий интерес покупателей к элетроконвекторам, которые нашли широкое применение за рубежом. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с вышеуказанными типами обогревателей.

На протяжении последних лет производители не внесли существенных изменений в модификацию этих приборов. Как правило, модернизация скорее связана только с дизайном оборудования, а не с появлением новых функций.

В подавляющем большинстве случаев в качестве нагревательных элементов в таких устройствах используются либо металлические (нихромовые) спирали, либо трубчатые электронагреватели (ТЭНы).

Несмотря на высокий электрический КПД таких элементов, достигающий 95%, устройства, в которых они используются, имеют низкую тепловую эффективность и их общий КПД составляет в лучшем случае 85-87%. Причиной этого является небольшая площадь теплообмена, в результате чего для нагрева газа и жидкостей требуются большие перепады температуры между поверхностью нагревателя и нагреваемой средой (до 200°С и выше). С этим связана необходимость повышения температуры поверхности самих элементов, что ведет к пропорциональному увеличению расхода электроэнергии на нагрев 1 м3 среды, снижению энергетической эффективности устройств и возрастанию тепловых потерь.

Увеличение температуры нагревателя приводит и к другим негативным явлениям. В частности, в подавляющем большинстве устройств, обеспечивающих нагрев газа до 100°С, температура поверхности нагревательного элемента, контактирующего с этим газом, превышает 250°С. При этом на его поверхности начинается процесс горения органических частиц и пыли, что приводит к "выгоранию" кислорода и выделению в окружающую среду продуктов сгорания органических веществ. Это приводит к появлению специфического запаха и снижению влажности воздуха. При этом более интенсивно протекает и процесс окисления металла нагревателя, что уменьшает его ресурс.

Учитывая изложенные недостатки, в настоящее время среди производителей нагревательных устройств во всем мире обозначилась устойчивая тенденция к разработке и использованию керамических нагревателей с увеличенной поверхностью теплообмена. Так, ряд иностранных фирм ("General", "Frico", "Pelonis" и др.) используют блоки из керамических пластин с алюминиевыми ребрами.

Оценивая существующий уровень научно-технических разработок и производства таких нагревателей, следует отметить, что практически все они представляют собой синтез керамических подложек и электропроводных резистивных элементов. Керамические подложки играют роль тепловыделяющего и теплоотдающего элемента, который разогревается от резистора. В подавляющем большинстве случаев резистивные элементы выполнены из углеродсодержащего материала, который наносят на керамический элемент в виде тонкого покрытия или гибких нитей, соединенных с токоподводами. При создании таких нагревательных элементов важно подобрать материалы для керамического элемента и резистивного слоя с одинаковым коэффициентом температурного расширения. В противном случае резко снижается ресурс нагревателя. Вместе с тем, несмотря на преимущества по сравнению с трубчатыми ТЭНами, и такие элементы имеют существенные недостатки, связанные не только со значительным количеством технологических операций при их изготовлении, но и с не очень высокими теплотехническими и эксплуатационными показателями. Несмотря на то, что они имеют значительно большие площади теплообмена и высокую теплопроводность материала ребер, выполненных из алюминия, температура поверхности нагревательного элемента и ребер неодинаковы, что опять требует существенно повышать температуру непосредственно нагревательного элемента. В результате этого, нагревательным устройством с такими элементами хотя и в меньшей мере, но все же присущи отмеченные выше недостатки традиционных нагревательных элементов. Как показал проведенный анализ научно-технических источников, подтвержденный оценками специалистов в области теплофизики, наиболее эффективным решением задач нагрева газовых сред могло бы быть использование в качестве нагревательных элементов сотовых керамических структур из электропроводного материала с заданной величиной сопротивления, отличающихся максимально возможной поверхностью теплообмена. Их использование позволяет:

  • уменьшить температурный перепад между поверхностью нагревателя и нагреваемой средой до 30 – 50°С за счет высокой степени стабилизации потока нагреваемой среды и большой поверхности теплообмена;
  • обеспечить экологически чистый нагрев воздуха в результате снижения температуры поверхности нагревателя до 120–150°С;
  • повысить скорость нагрева, снизить удельный расход электроэнергии и, соответственно, стоимости нагрева,
  • снизить массогабаритные характеристики нагревательных устройств.

Данные оценки полностью подтверждаются анализом патентной и технической информации, проведенным по передовым странам, который показал, что направление по разработке керамических сотовых нагревателей является одним из перспективнейших и уже активно осваивается специалистами и ведущими фирмами-производителями.

Так, американская компания "Universal Oil Products Company" разработала электронагревательное устройство, имеющее монолитную сотовую структуру с большим количеством каналов. В указанных конструкциях используется керамическая подложка сотовой структуры, на которую нанесено полупроводящее углеродсодержащее пирополимерное покрытие. Использование даже такого «подобия» сотовой структуры, в которой нагревательный элемент представляет собой только подложку, существенно повысило тепловые показатели устройства, однако, конструкция его сложна, а технология нанесения пирополимерного покрытия требует нагрева в защитной атмосфере при температуре выше 400°С.

Немецкая фирма "Simens AG" разработала нагревательный элемент в виде ячеистого корпуса из термочувствительного материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления на основе титановой керамики, которой путем легирования приданы свойства полупроводника. С целью создания эффективной сотовой конструкции предложено набирать нагревательный элемент из отдельных сложенных параллельными рядами трубочек, разделенных по вертикали гофрированными пластинами из того же керамического материала.

Такая конструкция должна показывать высокую эффективность нагрева, однако, она очень сложна в изготовлении и дорогостояща.

В последнее время наибольшего успеха в создании различного вида устройств для нагрева воздуха с керамическими сотовыми нагревательными элементами добилась американская компания "Pelonis", которая сегодня является единственной фирмой, поставляющей на рынок ограниченный спектр нагревательных устройств такого типа. "Успехи" этой фирмы связаны с тем, что в основе ее разработок полностью лежит российский прототип, который выпускался с начала 80-х годов 20 века на одном из оборонных предприятий Украины.

В настоящее время керамические сотовые элементы в виде дисков диаметром 50 мм и толщиной 8 мм изготавливает для нее японская компания "Mitsubishi" (рис. 1), которая также является единственным в мире производителем этих изделий. Материалом для этих элементов служит титанат бария, покрытый медью и серебром. Технология получения таких керамических элементов достаточно сложна.

Проведенные нами испытания изделий этой фирмы для определения тепловой эффективности нагрева показали максимальный эффект по сравнению с другими известными отечественными и зарубежными конструкциями, в которых используются нагреватели в виде спирали, ТЭНа или керамического (не сотового) типа. В частности было установлено, что система сотовых дисков выделяет тепло с большей интенсивностью, чем нагревательные элементы больших по размеру обогревателей.

На российском рынке продукция компании "Pelonis" появилась с торговой маркой "MicroFURNACE" совместного украинско-американского предприятия "ELPEK". Рыночная цена бытовых комнатных нагревателей с сотовыми керамическими дисками мощностью от 1,1 до 2,0 кВт достаточно высока для этого класса изделий и колеблется от $80 до $100. Однако это оправдано, учитывая экологичность и эффективность таких тепловентиляторов.

Обращает на себя внимание, что все мощные обогреватели (от 4,5 до 12 кВт) этой же фирмы имеют уже не сотовые нагревательные элементы, а пластинчатые с алюминиевыми ребрами, не смотря на очевидное преимущество сотовых керамических дисков. Это обстоятельство связано с тем, что фирма, вероятно, не располагает технологией изготовления дисков диаметром более 50 мм и толщиной более 1 см.

При изготовлении сотовых элементов возможны два варианта – это метод экструдирования (наиболее прогрессивный) и метод прессования. Очевидно, что изготавливать прессованием сотовые элементы большего диаметра и толщины с мелкими каналами и тонкими стенками весьма затруднительно.

Следует также отметить, что все известные случаи по разработке керамического материала для нагревательных элементов касаются в основном силитов, которые в виде стержней разной формы используются в промышленных печах различного технологического назначения. В разнообразных модификациях такой материал содержит карбид кремния, дисилицид молибдена, оксид алюминия a-формы, двуокись кремния b-формы и другие окислы металлов и наполнители. Однако все указанные токопроводные керамические массы, в том числе и из модифицированного титаната бария, практически не пригодны для получения сотовых элементов больших размеров.

Проведенный анализ научно-технической, патентной литературы и рекламной информации полностью подтвердил актуальность и перспективность разработки сотовых керамических нагревательных элементов.

Сотовые керамические электронагреватели (СКЭНы)

В настоящее время в России разработан состав керамической массы и конструкция сотовых керамических электронагревателей, не имеющих мировых аналогов, и освоена технология их изготовления. СКЭНы предназначены для быстрого, экономичного и экологически чистого нагрева воздуха в бытовых и промышленных помещениях.

За счет подбора специальных добавок, улучшающих реологию керамической массы, СКЭНы изготавливаются методом экструзии. Такая технология позволяет изготавливать элементы достаточно больших размеров, что значительно расширяет возможности их промышленного производства.

Изготовленные для этой конструкции фильеры позволяют получать соты практически любых размеров и форм (рис. 2), оптимальных для более равномерного распределения тока и тепла по всему объему нагревательного элемента. Керамический материал нагревателей имеет низкий температурный коэффициент сопротивления, практически не зависящий от температуры, и высокий коэффициент теплопроводности (около 50 Вт/м . К). За счет высокой теплопроводности керамики нагреватель быстро достигает рабочей температуры, которая не превышает 150°С по всей поверхности нагревательного элемента.

При таком уровне температуры обеспечивается экологическая чистота нагрева, поскольку не образуются продукты неполного горения органических примесей и пыли, и не расходуется кислород воздуха.

В зависимости от соотношения диэлектрических и токопроводящих компонентов в керамической массе возможно получать сотовые нагреватели с удельным сопротивлением в пределах от 3 до 300 ом*см.

Контактные и изоляционные слои и сам нагревательный элемент, изготовлены из одного и того же композиционного материала с разным соотношением диэлектрических и токопроводящих компонентов.

Рис. 3. Различные типы устройств для нагрева воздуха: а) тепловая пушка производства фирмы "Frico" (Швеция) модели "Tiger" Р31 мощностью 3 кВт с ТЭНами; б) тепловентилятор производства фирмы "Delonghi" (Италия) мощностью 2 кВт со спиральными нагревательными элементами; в) тепловентилятор производства совместного украинско-американского предприятия "ELPEK" типа ОК-РР с сотовыми керамическими нагревателями мощностью 1,4 кВт; г) фен производства фирмы "Braun" PRSC1800 (тип 3522) (Германия) мощностью 1,8 кВт со спиральными нагревательными элементами.

Эффективность керамических сотовых нагревателей была проверена при проведении сравнительных балансовых испытаний серийных тепловентиляторов, тепловых пушек и фена конвекторов (рис. 3), которые в стандартной комплектации имели нагреватели в виде ТЭНов, спиралей, керамических пластин с алюминиевыми ребрами или сотовые керамические нагреватели, конструкции японской фирмы "Mitsubishi".

Удельный расход электроэнергии в серийных устройствах со стандартными нагревателями составлял от 0,08 до 0,18 Вт/м3·°С, а при их замене на разработанные сотовые керамические нагреватели этот показатель снизился до 0,031-0,065 Вт/м3·°С. Перед установкой СКЭНов в корпус конвектора были проведены испытания отдельных нагревательных элементов.

Керамический элемент СКЭНа представлял в этом случае блок с размерами 33ґ110ґ60 мм (рис. 7).

Испытания показали, что использование сотовых керамических нагревательных элементов (СКЭНов) для данного типа устройств позволит существенно снизить потребляемую мощность и уменьшить габаритные размеры существующих конвекторов при сохранении их теплопроизводительности. Кроме того, электроконвекторы, изготовленные с использованием СКЭНов обладают рядом преимуществ по сравнению с тепловентиляторами и масляными обогревателями. Это, прежде всего:

  • бесшумность;
  • экологичность (температура СКЭНа не превышает 150°С);
  • экономичность;
  • компактность (по сравнению с масляными);
  • минимальная инерционность (СКЭН разогревается до рабочей температуры за 6-10 секунд).

Использование такой конструкции позволило создать конвективный электрический элемент нового поколения, представляющий собой, по сути, самостоятельный конвектор размерами 150(200) – 100 –50мм. (длина, высота, ширина) со следующими техническими параметрами:

  • напряжение питания – 220 В
  • мощность 250-300 Вт
  • Площадь (сечение) выхода – 11,3 кв.см
  • Температура поверхности СКЭНа – 150-180 град.
  • Температура на выходе СКЭНа - 120-150 град.
  • Температура на выходе элемента - 90 – 125 град.
  • Производительность - 4-5 куб.м. в час.
  • Удельная мощность - не более 0,1 Вт./ м.куб град
  • КПД - не менее 98%
  • Вес - не более 400 гр.

Указанные элементы позволяют «набирать» конвекторы любой мощности и производительности. При этом весьма расширяются возможности по использованию материалов, дизайну корпуса, поскольку температура нагрева корпуса не превышает 34-40 градусов. В частности, корпус конвектора может быть выполнен из пластика, дерева, других декоративных материалов

Перспективы рынка

Как указывалось ранее, наиболее популярными на российском рынке и за рубежом среди автономных систем прямого электрического отопления в настоящее время являются масляные радиаторы и электрические конвекторы. Это обусловлено главным образом тем, что указанные устройства имеют достаточно высокий КПД, низкие капитальные и эксплуатационные затраты, простоту монтажа, высокие гигиенические и экологические показатели, гибкость управляемости в широких пределах с возможностью автоматизации регулирования.

Особое место указанные нагреватели (особенно электроконвекторы) занимают при решении проблемы отопления квартир, загородных домов и квартир. По оценкам специалистов, капитальные затраты на электроконвекторы, используемые в качестве основного отопления, являются самыми низкими и составляют 4-6 долларов США за 1 м2 отапливаемой площади помещения. Электроконвекторы могут быть размещены в тех местах, где и традиционные, только трубы заменяет электропроводка. По эксплуатационным затратам этот вид отопления проигрывает только газу, однако с точки зрения экологичности, надежности и безопасности ему нет равных. За счет широкого диапазона регулировки температур в каждом помещении, возможности отключения полностью любой отапливаемой зоны и точного отслеживания температуры электроконвекторы позволяют сократить расход электроэнергии на 40-80% в зависимости от интенсивности эксплуатации помещения.

В жилых домах электроконвекторы оказались очень удобны как дополнение к существующим системам отопления, что делает жильцов независимыми от погодных условий и централизованной системы при похолодании в осенне-весенний период.

Указанные выше обстоятельства обусловливают широкое предложение на потребительском рынке в России электроконвекторов отечественного и зарубежного производства. Цена предлагаемых электрических конвекторов зависит от их мощности и фирмы производителя. Выбор необходимой мощности электроконвектора осуществляется исходя из ниже приведенных данных, учитывающих коэффициент запаса мощности, составляющий около 20% (удельная величина мощности для стандартных помещений при отсутствии других источников отопления):

1 м31 м2
(высота 2,5 м)
Доп. изоляция под потолкомМощность (Вт)
50 Вт125 Вт20 см минваты1 м3 - 40,
1 м2 - 100

В настоящее время на рынке присутствуют конвекторы мощностью от 250-300 Вт до 2-2,5 кВт. Стоимость зарубежных изделий колеблется от 50 до 150 долларов США.

Цена на отечественные конвекторы редко превышает эти суммы, однако, в силу известных обстоятельств, большим спросом у населения они не пользуются.

По оценкам ведущих фирм-продавцов, действующих в России, рынок электрообогревателей можно считать наиболее перспективным из-за долгой зимы и хронического недостатка централизованного теплоснабжения, который, учитывая состояние тепловых сетей и финансовые возможности теплопроизводителей, будет лишь усугубляться.

Основные продажи обогревателей начинаются в конце сентября до начала отопительного сезона и продолжаются до тех пор, пока не отключают центральное отопление. Уже сейчас операторы рынка говорят о «неожиданном» росте спроса на приборы, дающие тепло. Наибольшим спросом продолжают пользоваться европейские модели по средней (50-80 долларов) цене, хотя несколько лет назад лидером продаж были дешевые китайские теплонагреватели. В настоящее время наметилась тенденция к приобретению тепловых устройств, обладающих дополнительными потребительскими качествами даже при их более высокой (от 100 и выше долларов) цене: экологичность, надежность, безопасность, экономичность, внешний вид. На этом фоне продукция российских производителей, хотя и выпускающих дешевую продукцию спросом не пользуется.

Учитывая изложенные выше обстоятельства, можно с высокой степенью вероятности сделать вывод о том, что как внедрение самих СКЭНов, так и конвекторов на их основе может быть как технически, так и экономически весьма перспективным. Изделия на их основе даже при изготовлении в России составят серьезную конкуренцию продукции иностранных производителей как по ценам от 30 до 60 долларов США, так и по техническим показателям и дизайну.

В настоящее время имеется как отработанная технология производства СКЭНов различной мощности, так и тепловых конвективных элементов на их основе и непосредственно конвекторов.


 
 
Главная страница        >> Каталог технологий        >> Энергетика. Энергосберегающие технологии

Наверх