Ленточные аморфные металлические нагреватели

1. Введение

Широко используемые в современной практике металлы и сплавы имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся наличием дальнего порядка в расположении атомов и молекул. Вместе с тем аморфные металлические сплавы (металлические стекла) находят все большее применение в электротехнике, системах безопасности, медицине и т.д. Их получают методом быстрой закалки из расплава (скорость охлаждения достигает 106 0С в секунду). При таких гигантских скоростях охлаждения расплав не успевает кристаллизоваться, и его структура напоминает замороженную жидкость. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, что предопределяет уникальные электрические, магнитные и механические свойства.

2. Типичные свойства

Твердость – 68 единиц по Роквеллу(10 ед. по Виккерсу)
Модуль Юнга – 17000 кг/мм2
Модуль сдвига – 14000 кг/мм2
Коэффициент Пуассона – 0.3
Температурный коэффициент расширения – 4.3*10-5 1/К
Плотность – 7800 кг/м3
Теплопроводность – 10-20 Вт/м*К
Удельная теплоемкость – 500-600 Дж/кг*К
Температурный коэффициент сопротивления – близок к 0
Прочность на разрыв - 200-250 кг/мм2
Удельное электрическое сопротивление – 1-5*10-6 Ом*м
Температура кристаллизации – 250 – 6000С

3. Почему аморфный ленточный нагреватель лучше, чем проволочный (кабель)?

Мощность, передаваемая нагревателем в окружающую среду определяется формулой:

Р = h*S*(Th –Tamb),
где P- мощность, h – коэффициент теплообмена между нагревателем и средой, S – площадь поверхности нагревателя .Th – температура нагревателя, Tamb – температура окружающей среды. Одну и ту же мощность можно получить при малой площади поверхности и высоком перепаде температур и наоборот.

4. Сравнение температуры проволоки (кабеля) и аморфной ленты при одинаковой мощности нагревателя.

Как видно из таблицы температура проволочного (кабельного) нагревателя намного выше температуры ленточного при одной и той же мощности (данные в таблице относятся к аморфной ленте и проволоке (кабелю), нагреваемые в спокойном воздухе).
5. Почему аморфная металлическая лента хороший низкотемпературный нагревательный элемент?
Удельное электрическое сопротивление больше 10-6 Ом*м
Высокая коррозионная стойкость к влаге
Высокая прочность и гибкость
Высокая теплопередающая поверхность, обусловленная большой шириной ленты (до 100 мм)
Малое время достижения стационарного состояния из-за малой толщины ленты(20-30) микрон.
Рабочая температура до 1500С
Более высокий к.п.д. использования электрической энергии

Ограничительными факторами являются:

Температура кристаллизации в твердом состоянии, выше которой происходит переход в кристаллическое состояние и резко падает удельное сопротивление
Температура охрупчивания материала, при которой резко ухудшаются механические характеристики материала вплоть до его разрушения

6. Расчет нагревательного мата «СТН»

Расчет электрического сопротивления:
R = V2/P
где V – напряжение, Р – мощность

Конструирование сопротивления:
R = p*L/A
где p удельное сопротивление, L – длина, А – площадь поперечного сечения ленты

7. Оценка температуры нагревателя

P = S*(Th – Tamb)/r
где Р – мощность, S – площадь поверхности нагревателя,
Th – температура нагревателя, Tamb – температура окружающей среды,
r – Термическое сопротивление теплообмена
r = d1 / k1 + d2 / k2 +1/h
где k – теплопроводность слоя, d - толщина слоя,
h – Коэффициент теплопередачи
9. Сравнение температур кабеля и ленты при обогреве паркетных полов

Толщина паркета 14 мм
Плотность паркета 585 кг/мм3

Теплопроводность паркета 0.27 Вт/м0С
Теплоемкость паркета 2212 Дж /кг0С
Плотность теплового потока 120 Вт/м2
Коэффициент заполнения 0.3 (лента)
0.02(кабель)
Температура пола 230С
Температура нагревателя 280С (лента)
920С (кабель )

Выводы

1. Магнитное поле, генерируемое нагревательными матами очень мало. На расстояниях больше чем 1см магнитное поле от нагревательного мата пренебрежимо мало.
2. Электрическое поле генерируемое нагревательным матом намного ниже нормативного значения 1000 В⁄м. Электрическое поле падает обратно пропорционально расстоянию от нагревательного мата.