Kabel grzejny: zasada działania, rodzaje, konstrukcja, instalacja

Kabel grzejny: zasada działania, rodzaje, konstrukcja, instalacja

Jeśli konieczne jest radzenie sobie ze szczególnie niskimi temperaturami w dowolnych elementach konstrukcyjnych budynków, systemach komunikacyjnych, urządzeniach domowych, stosuje się kabel grzejny. Urządzenie to zapewnia dodatkowe ogrzewanie na całej długości lub obszarze trasy. W takim przypadku ważne jest, aby wziąć pod uwagę zasadę działania elementu grzejnego oraz w jakich sytuacjach wskazane jest jego użycie.

Cel i zasada działania

Przeznaczenie przewodów grzejnych pozwala na pokrycie zarówno różnych obszarów działalności przemysłowej, jak i rozwiązywanie różnych zadań domowych. Najczęściej stosowany kabel grzejny jest używany do:

• Ogrzewanie pomieszczeń lub konstrukcji o małej kubaturze, w tym pomieszczeń dekoracyjnych, terrariów, szybów i studni;
• Ogrzewanie całego lub jedynego odcinka rurociągu, zaopatrzenia w wodę, kanalizacji i innych obiektów znajdujących się na świeżym powietrzu lub w nieogrzewanym pomieszczeniu;
• Podgrzewanie zamrożonych przedmiotów podczas wykonywania na nich jakichkolwiek operacji technologicznych;
• Ochrona przed zamarzaniem wody lub zapobieganie gromadzeniu się wilgoci;
• Zapobieganie tworzeniu się lodu lub osadzaniu się śniegu;
• Utrzymywanie temperatury dowolnego obiektu w określonych granicach.

Zasadę działania przewodu grzejnego opisuje prawo Joule’a-Lenza, które mówi, że gdy prąd elektryczny przepływa przez dowolny element rezystancyjny, uwalniana jest z niego energia cieplna. Proces ten jest spowodowany obecnością rezystancji elektrycznej w materiale przewodzącym, która występuje w wyniku interakcji naładowanych cząstek. Cząstki te stanowią przeszkodę w ukierunkowanym ruchu prądu, a kiedy zderzają się, uwalniane jest ciepło.

Na podstawie powyższego możemy stwierdzić, że wartość mocy cieplnej jest wprost proporcjonalna do rezystancji przewodu grzejnego i można ją wyrazić wzorem:

• Q to ilość uwolnionej energii cieplnej;
• I – wartość prądu płynącego przez przewód grzejny;
• R jest rezystancją omową elementu;
• t to czas podłączenia kabla do sieci elektrycznej.

W praktyce rezystancja danego przewodu grzejnego będzie zależeć od materiału, z którego są przewodzące prąd, ich długości oraz sposobu połączenia. Wszystkie te parametry są zdeterminowane cechami konstrukcyjnymi różnych rodzajów produktów z kablem grzejnym.

Elementy przewodzące prąd używane do ogrzewania dzielą się na rezystancyjne (liniowe i strefowe), samoregulujące i indukcyjne. Wszystkie typy przewodów grzejnych różnią się zasadą działania i konstrukcją. Rozważmy bardziej szczegółowo cechy każdego z nich.

Rezystancyjny liniowy.

Liniowy przewód grzejny jest konstrukcją konwencjonalnego drutu, którego końce są podłączone do źródła zasilania. Zatem model liniowy można w zasadzie przedstawić jako rezystancję połączoną szeregowo typu rezystancyjnego, charakteryzującą się stałą mocą grzewczą. W zależności od liczby żył dzieli się na przewód grzejny jednożyłowy i dwużyłowy.

Pojedynczy rdzeń liniowy.

Ryż. 1: budowa jednożyłowego kabla liniowego

Spójrz na rysunek, gatunki jednordzeniowe składają się z rdzenia grzejnego o wysokiej rezystywności, zwykle ze stali lub jej stopów. Zawiera również jedną lub więcej warstw izolacji termicznej, która nie odkształca się po podgrzaniu. Ten rodzaj przewodu grzejnego może być wyposażony w ekran do usuwania zakłóceń generowanych przez siebie oraz w zabezpieczenie ziemnozwarciowe.

Jego główną zaletą jest prostota i bezpretensjonalność w działaniu, może również stykać się ze strukturami przewodzącymi i podlegać nakładaniu. A do wad można zaliczyć konieczność zastosowania odcinka fabrycznego o ustalonej długości (nie można odciąć potrzebnego kawałka), konieczność łączenia końców odcinka w jednym punkcie do „+” i „-” lub do zera oraz faza.

Dwurdzeniowy liniowy

Ryż. 2: konstrukcja dwużyłowego kabla liniowego

Strukturalnie, marki dwurdzeniowe mają dwa przewody podłączone do źródła zasilania. Składa się z tych samych elementów, co w jednożyłowym, z tą różnicą, że zawiera dwa równoległe przewodniki zamiast jednego. Co zapewnia dodatkową zaletę – dwużyłowy przewód grzejny, w przeciwieństwie do jednożyłowego, nie musi być zawracany drugim końcem odcinka do punktu połączenia, co zapewnia pewną wygodę podczas ogrzewania rurociągów i innych rozbudowanych konstrukcji .

Strefa rezystancyjna

Kable strefowe to rodzaj kabla rezystancyjnego, z tą różnicą, że ma bardziej złożoną i funkcjonalną strukturę. W porównaniu z liniowym konstruktywnie ma następującą cechę:

Ryż. 3: projekt kabla strefowego

Jak widać na rysunku, kabel strefowy, podobnie jak kabel liniowy, składa się z dwóch przewodzących prąd przewodów miedzianych, izolacji wewnętrznej dla każdego przewodu, przewodu grzejnego wykonanego z materiału o wysokiej rezystywności oraz izolacji zewnętrznej.

Jego konstrukcja wyróżnia się obecnością okienek w izolacji wewnętrznej, w których przewód grzejny jest połączony z przewodem przewodzącym prąd. Same okna znajdują się w odległości 1 – 2m od siebie. W ten sposób między oknami element grzejny jest połączony równolegle i przejmuje napięcie sieciowe. Oznacza to, że każdy z odcinków drutu ma 220 V lub wartość dostarczaną do kabla grzejnego.

Dzięki tak konstruktywnemu rozwiązaniu, nie na całej długości powinien mieć stały opór, a jedynie przewód znajdujący się na odcinku 1 – 2 m, zwany strefą (od której ten rodzaj kabla bierze swoją nazwę). Dzięki temu projektowi długość sekcji można dowolnie dobierać, w zależności od osobistych życzeń.

Kable samoregulujące

Kabel samoregulujący różni się od poprzednich wersji zarówno konstrukcją, jak i zasadą działania.

Ryż. 4: samoregulująca konstrukcja kabla

Spójrz na rysunek, pokazuje on konstrukcję kabla samoregulującego, w tym:

• Zewnętrzna powłoka, która chroni wewnętrzne elementy przed wpływami środowiska.
• Przewody przewodzące prąd, które są zasilane ze źródła zewnętrznego.
• Oplot ekranujący, który chroni otaczającą komunikację przed promieniowaniem elektromagnetycznym samego kabla.
• Warstwa izolacji wewnętrznej do elektrycznego odseparowania elementów przewodzących prąd od oplotu metalowego dla kabli ekranowanych lub od konstrukcji zewnętrznych w przypadku braku ekranu.
• Matryca półprzewodnikowa, która jest bezpośrednio elementem grzejnym.

To właśnie ta część przewodu samoregulującego jest rodzajem czujnika temperatury. Im cieplejsze otoczenie, tym mniejsza przewodność elementów grzejnych, zmniejsza się ilość przepływającego przez nie prądu, a także ilość wytwarzanego ciepła. Jest to funkcja samoregulacji poziomu temperatury.

Główną zaletą takiego przewodu grzejnego jest jego pełna autonomia – ilość odbieranej energii cieplnej niezależnie dostosowuje się do temperatury otoczenia, w którym się znajduje. Dzięki temu różne odcinki przewodu grzejnego będą miały nieliniową moc, dając potrzebną w danej sytuacji temperaturę. Kolejną zaletą tego typu urządzenia grzewczego jest jego dowolna długość. Ale wady to fakt, że jest sprzedawany w standardowych zatokach i nie ma elementów łączących w konfiguracji.

Indukcyjne przewody grzejne

Zasada działania tego typu przewodu grzejnego polega na indukowaniu pola elektromagnetycznego w ośrodku ferromagnetycznym. Strukturalnie składa się z rdzenia przewodzącego prąd, który jest nawinięty na rdzeń ferromagnetyczny jak cewka. Kiedy prąd przepływa przez rdzeń przewodzący prąd, w rdzeniu zostanie zaindukowany emf. Nagrzewanie następuje z powodu strat elektrycznych spowodowanych prądem w przewodzie i stratami w stali zgodnie z zasadą efektu naskórkowości.

Główną różnicą w stosunku do innych typów przewodów grzejnych jest stosunek uwalnianej energii cieplnej. Tutaj strata miedzi wynosi tylko 20%, podczas gdy w materiale ferromagnetycznym pozostałe 80% zostanie utracone. W zależności od konkretnej marki współczynnik strat może się różnić. Dzięki temu moc liniowa kabla indukcyjnego może być znacznie niższa przy zapewnieniu tej samej temperatury grzania.

Funkcje montażowe

Podczas układania kabla grzejnego ważne jest przestrzeganie kilku zasad, a mianowicie:

• Temperatura otoczenia na etapie instalacji systemu grzewczego musi wynosić co najmniej +15ºС.
• Mocowanie na powierzchni należy wykonać w taki sposób, aby nie uszkodzić elementów konstrukcyjnych sekcji grzewczych (mocowania fabryczne, specjalna taśma klejąca, uszczelniacz, miękkie podkładki, zaciski itp.).
• Tworząc trasę lub siatkę konieczne jest zapewnienie odpowiedniej powierzchni grzewczej dla danego obiektu, w zależności od jego parametrów.
• Podczas toczenia należy upewnić się, że promień gięcia nie przekracza sześciu jego średnic.
• Po zakończeniu układania należy sprawdzić integralność izolacji i rdzeni, wybierając i mierząc poziom oporu.

Przyjrzyjmy się teraz kilku praktycznym wskazówkom dotyczącym cech układania w określonych sytuacjach. Jeśli przewód grzejny jest używany do ogrzewania dachu lub innych obiektów, w których jest instalowany w bezpośrednim świetle słonecznym, lepiej jest stosować gatunki ekranowane. Ponieważ modele plecione używają znacznie bardziej stabilnej powłoki niż kable ogólnego przeznaczenia.

Przy ogrzewaniu rynien należy wybrać miejsce w najzimniejszym miejscu lub po najmniej nagrzanej stronie. W zsypach poziomych przewód grzejny należy ułożyć na dole zsypu tak, aby ciepłe masy unosiły się i stopiły lód powyżej. W pionowych rurach kanalizacji od strony ściany budynku, jak pokazano na rysunku, ponieważ nagrzewa się najgorzej:

Ryż. 6: Przykład montażu w systemie rynnowym

Ponieważ kabel grzejny może być umieszczony w wodzie, może bezpośrednio ogrzewać rury wodne lub systemy grzewcze. Zainstaluj go wewnątrz rury, jak pokazano na rysunku:

Ryż. 7: przykład ułożenia przewodu grzejnego w rurze

Należy zauważyć, że zabronione jest montowanie przewodu grzejnego w rurach kanalizacyjnych i kanalizacyjnych, ponieważ przyczepiają się do niego różne zanieczyszczenia. Z tego powodu powstaną korki, które pogorszą drożność i doprowadzą do całkowitego zachodzenia na siebie. Dlatego rury kanalizacyjne z polimeru i metalu są ogrzewane poprzez instalowanie elementów grzejnych z zewnątrz. Warto jednak zaznaczyć, że przewód grzejny należy odizolować od warstwy izolacji termicznej specjalną taśmą aluminiową.

Aplikacje

Kabel grzejny służy do ogrzewania następujących elementów konstrukcyjnych:

– zarówno w gospodarstwie domowym (łazienki i kuchnie), jak iw pomieszczeniach przemysłowych;
• dachy budynków, w których istnieje zagrożenie tworzenia się sopli lodu lub nagromadzenia mas śniegu nad chodnikami lub strefą dla pieszych;
• różne rurociągi w sieci wodociągowej, kanalizacyjnej, grzewczej itp.;
• Zbiorniki i zbiorniki do przechowywania substancji płynnych;
• systemy odprowadzania i odprowadzania wody;
• stopnie grzewcze budynków, chodników i przejść technologicznych;
• maty grzewcze, dywaniki i tory;
• akwaria i terraria dla zwierząt domowych.

W dziedzinie przemysłowej kabel grzejny może mieć również bardziej specyficzne zastosowania, przykłady niektórych z nich oraz parametry niezbędne do ich efektywnego działania podano w poniższej tabeli:

Plusy i minusy kabla grzejnego

Działanie przewodu grzejnego opiera się na oddawaniu ciepła przez przewodnik o podwyższonej rezystancji. Ilość wytworzonego ciepła zależy od rezystancji właściwej, długości odcinka grzejnego i napięcia sieciowego. Najpopularniejszymi materiałami na element paliwowy są stopy miedzi, stal, nichrom i materiały polimerowe z dodatkami substancji przewodzących.

Kabel rezystancyjny

Najpopularniejszy typ przewodu grzejnego w budownictwie, ze względu na niski koszt i prostą konstrukcję.
Elementem grzejnym jest sam przewodnik przewodzący prąd, wykonany z metalu. Do pracy w wysokich temperaturach konieczne jest uwzględnienie zmiany rezystancji, jeśli rdzeń jest wykonany ze stali lub innego materiału o podwyższonej wytrzymałości.
Z reguły kabel ma dwie warstwy izolacji i metalowy ekran. Kabel rezystancyjny może mieć jedną, dwie lub trzy żyły.

Plusy

• niski koszt;
• stałość cech w czasie;
• brak prądów rozruchowych.

• możliwość przegrzania; zmniejsza to niezawodność w niektórych aplikacjach i nakłada pewne ograniczenia;
• bardziej złożone procedury projektowania i przygotowania do instalacji, ponieważ na tym etapie konieczne jest dokładne określenie długości obwodu grzewczego, aby wybrać rezystancję (dla kabla na cewkach) lub długość zestawu (dla gotowych zestawów);
• gdy zmienia się długość obwodu, zmienia się rezystancja, a co za tym idzie moc, co uniemożliwia zmianę długości przecinanego obwodu.

Samoregulujący przewód grzejny

Otrzymała bardzo szeroką dystrybucję w zadaniach ogrzewania komercyjnego i przemysłowego, dzięki opłacalności eksploatacji i wygodzie instalacji. Elementem odprowadzającym ciepło jest matryca polimerowa uformowana przez wytłaczanie na przewodzących drutach. Obecność węgla w osnowie zapewnia powstawanie wiązań przewodzących, których ilość zależy od temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury rośnie liczba wiązań, maleje opór, a moc, tj. wzrasta rozpraszanie ciepła. Wraz ze wzrostem temperatury następuje proces odwrotny.

O ilości wydzielanego ciepła w osnowie decyduje nie tylko temperatura otoczenia, ale również warunki wymiany ciepła.
Rozpraszanie ciepła w wodzie, lodzie, betonie będzie znacznie większe niż w powietrzu, ze względu na większe rozpraszanie ciepła i niższą temperaturę osnowy.
Ta właściwość matrycy nazywana jest efektem samoregulacji, tj. pragnienie osiągnięcia stanu równowagi między wydzielaniem ciepła a temperaturą otoczenia.

Konstrukcja samoregulującego przewodu grzejnego to matryca z zabezpieczonymi przewodami
kilka warstw izolacji i ekran ochronny.

Plusy

• łatwość instalacji
• bezwarunkowa ocena T
• nie boi się przegrzania i umożliwia kontakt gwintów kabli;
• niezawodność;
• moc liniowa nie zależy od długości obwodu;
• oszczędność energii, ponieważ moc kabla zmienia się w zależności od temperatury.

• prądy rozruchowe;
• spadek mocy w czasie – „starzenie się” kabla;
• koszt.

Równoległy kabel rezystancyjny (strefa)

Znajduje szerokie zastosowanie w systemach grzewczych obiektów przemysłowych. Równoległy kabel zasilający o stałej mocy
rezystywność (strefowa) jest droższa niż konwencjonalny kabel rezystancyjny, ale przewyższa go niezawodnością. Na przewodzące rdzenie nakłada się warstwę izolacji wewnętrznej, a na tę warstwę nawija się nić grzewcza, na przykład z nichromu. Nić zamyka się na przewodach w tej samej odległości, tworząc kilka równoległych stref grzewczych.

Jeśli żarnik grzejny ulegnie uszkodzeniu, tylko jedna sekcja przestaje działać, co znacznie zwiększa odporność na uszkodzenia całego systemu grzewczego.

Plusy

• brak prądów rozruchowych;
• moc liniowa nie zależy od długości obwodu;
• niski koszt (niższy niż kabel samoregulujący, ale wyższy niż rezystancyjny), szczególnie w przypadku kabli wysokotemperaturowych;
• łatwość instalacji
• stałość charakterystyk – moc liniowa nie zmienia się w czasie.

• delikatny element grzejny – możliwość uszkodzenia żarnika grzejnego podczas instalacji;
• możliwość lokalnego przegrzania w przypadku nakładania się kabli nakłada również pewne ograniczenia na instalację.

Kabel w izolacji mineralnej

Bardzo podobny w konstrukcji do rezystancyjnego. Jako izolację wewnętrzną stosuje się tlenek magnezu. Powłoka zewnętrzna
wykonane ze stali lub stopu miedzi i niklu. Stosowany w wysokich temperaturach, obciążeniach mechanicznych, konieczności uzyskania dużej mocy liniowej.