§ 14.2. Электрические отопительные приборы

Электрические приборы с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую, как и обычные отопительные приборы, подразделяют по преобладающему способу тепло-отдачи на радиационные, конвективные и радиационно-конвективные. При температуре греющей поверхности ниже 70 °С их относят к низкотемпературным, выше 100 °С - к вы-сокотемпературным.

Электроотопительные приборы могут быть стационарными и переносными (напольными, настольными, настенными, потолочными); безынерционными и с аккумуляцией теплоты; нерегулируемыми и со ступенчатым, бесступенчатым и автоматическим регулированием. В зависимости от конструкции электрические отопительные приборы называют электро-конвекторами, электрокалориферами, электротепловентиляторами. Выпускают также электрические печи, электрические воздушно-тепловые завесы, подвесные панели, грею-щие обои, панели с греющим кабелем.

Панели электрического отопления с греющим кабелем делают совмещенными со строительными конструкциями и приставными к ним.

По принципу тепловыделения нагревательные кабели, используемые в панельном отопле-нии, относятся к резистивным. У резистивных кабелей теплота выделяется нагреватель-ной жилой, окруженной изоляцией, экранами и защитными оболочками. Они могут запи-тываться с двух или одного конца (двухжильные кабели). Преимуществами таких кабелей является простота конструкции, высокая технологичность (монтаж нагревательных сек-ций на объекте занимает мало времени и несложен) и относительно низкая стоимость. Не-достатком является необходимость использования секций строго заданной длины.

Исполнение нагревательных кабелей отличается наличием или отсутствием, а также мате-риалом изоляции, защитного экрана и наружной оболочки. Исполнение кабеля определяет уровень защищенности кабеля от влияния окружающей среды и его рабочую температуру. Кабели, применяемые для панельного отопления, считаются низкотемпературными, так как температура греющей жилы в них не превышает 100 °С.

Нагревательная жила в зависимости от требуемого электрического сопротивления, состо-ящая из одной или нескольких проволок, изготавливается из специальных сплавов, оцин-кованной стали, латуни, меди, алюминия. Электрическое сопротивление современных ка-

413

белей, использующихся в панельном отоплении, лежит в пределах 0,041...20 Ом·м. Обыч-но кабель имеет поверх нагревательной жилы один или два слоя изоляции из пластика, защитный экран в виде оплетки из медной проволоки сечением 1 мм² и наружную обо-лочку из поливинилхлоридного пластика или полиэтилена. Сопротивление изоляции при-близительно равно 1×10⁵ МОм·м. Для усиления механической защиты и снижения гене-рируемых электромагнитных полей применяется так называемый бронированный кабель, у которого оплетка выполнена из отожженной медной проволоки. Защитный экран кабе-лей должен быть подключен к заземляющему контуру здания (или к нулевому проводу). Одножильные кабели бывают круглыми диаметром от 5 до 7 мм, а двухжильные, как пра-вило, овальными размерами около 5,3×7,6 мм.

Современные греющие кабели имеют токопроводящую жилу, выполненную из материа-лов, обладающих низким температурным коэффициентом сопротивления, что значитель-но упрощает тепловые расчеты. В настоящее время разработана принципиально новая конструкция кабеля, теплоотдача которого определяется только напряжением питания. В этих саморегулирующихся кабелях теплота выделяется в полупроводящей пластмассе, за-полняющей пространство между двумя токопроводящими жилами.

При повышении температуры сопротивление пластмассы возрастает и тепловыделение падает, благодаря чему создается эффект саморегулирования. Конструкция окружена электроизолирующими и защитными оболочками и экранами и запитывается с одного конца. Большим преимуществом такого кабеля является возможность использования про-извольными длинами, отрезаемыми по месту. При таких кабелях необходимая плотность теплового потока будет достигаться варьированием шага их раскладки. Саморегулирую-щиеся кабели не перегреваются и не перегорают. Недостатком кабеля следует считать большой стартовый ток, превышающий номинальный в 1,5...2 раза. Кроме того, к недо-статкам относят невозможность обеспечить форсированный обогрев. Саморегулирую-щийся кабель довольно дорог. Но при серийном производстве цена возможно будет сни-жена.

Резистивные кабели имеют линейную мощность от 15 до 25 Вт/м. Рекомендуется устрой-ство шага раскладки кабеля с таким расчетом, чтобы поверхностная мощность системы не превышала 150 Вт/м² у малоинерционных панелей и 200 Вт/м² у аккумулирующих тепло-ту. Шаг раскладки кабеля должен лежать в пределах 10...20 см. При этом, как правило, допускается минимальный радиус изгиба кабеля 150 мм. Нагревательные секции при из-менении длины от 5 до 125 м увеличивают свою мощность приблизительно от 100 до 2500 Вт. Появились секции греющего кабеля, закрепленные на пластиковой сетке. Плоскост-ные секции на сетке выполняются различной длины шириной 0,5 м.

Сейчас наибольшее распространение получили напольные системы электроотопления, при которых кабель или провод закладывается в междуэтажное перекрытие. На рис. 14.1 показаны варианты такой конструкции.

414

Рис. 14.1. Греющий кабель в перекрытиях зданий: а - замоноличенный; б - в воздушной прослойке; в - замоноличенный под воздушной прослойкой; 1 - покрытие пола; 2 - стяжка толщиной 20...30 мм; 3 - монолитный слой толщиной 40...50 мм; 4 - греющий кабель; 5 - звуко-теплоизоляция; 6 - несущая железобетонная плита; 7 - воздушная прослойка толщи-ной 40...50 мм; 8 - лага 50×50 мм; 9 - настил пола толщиной 20 мм; 10 - монолитный слой толщиной 20 мм; 11 - воздушная прослойка толщиной 30 мм

• зданиях с бетонными перекрытиями применяют замоноличивание греющего кабеля в конструкцию пола (рис. 14.1, а). Термическое сопротивление слоев, расположенных меж-ду кабелем и покрытием пола, принимают и пределах 0,045...0,2 м²·°С/Вт.

• зданиях с полами на лагах греющий кабель располагают в воздушной прослойке (рис. 14.1, б) для выравнивания температуры поверхности пола. При этом менее вероятно мест-ное перегревание кабеля. Его укладывают на металлическую сетку таким образом, чтобы он не касался утеплителя, так как в противном случае может произойти перегрев кабеля или изоляции.

Для интенсификации конвективного теплообмена в воздушной прослойке в углах поме-щения оставляют вентиляционные отверстия, перекрытые решетками. Недостатком кон-струкции является перерасход кабеля из-за уменьшения его теплоотдачи.

В зданиях с полами на лагах применяют также замоноличивание кабеля и устройство воз-душной прослойки над замоноличивающим слоем (рис. 14.1, в). Такая конструкция сов-мещает в себе преимущества первых двух: увеличенную теплоотдачу и предотвращение местного перегревания кабеля.

Регулирование теплоотдачи панели электрического отопления выполняют двухпозицион-но.

Для отопления производственных помещений большого объема применяют подвесные электропанели. Тепловую мощность подвесных панелей рассчитывают по балансам теп-лоты в верхней (над панелью) и нижней (под панелью) частях помещения. При этом счи-

415

тают, что теплопотери верхней зоны компенсируются теплоотдачей панели вверх, а теп-лопотери нижней зоны - теплоотдачей вниз. На рис. 14.2 дана схема конструкции подвес-ной панели. При изолированном кабеле плотность теплового потока в них составляет око-ло 460 Вт/м² (теплоотдача вниз 85 %), при неизолированном кабеле - около 840 Вт/м² (теплоотдача вниз около 88 %).

Рис. 14.2. Подвесная панель с греющим электрокабелем: 1 - стальной кожух; 2 - теплоизо-ляция; 3 - нагреватель в виде изолированного кабеля

Для отопления отдельных помещений используют электронагревательные печи ПЭТ (рис. 14.3). В печи под перфорированным кожухом помещены на фарфоровых колодках трубча-тые электронагревательные элементы (ТЭН) мощностью 0,5...1 кВт. Температура поверх-ности ТЭН на 130..150 °С выше температуры окружающего воздуха. При монтаже печи как в горизонтальном, так и вертикальном положении (с электропитанием снизу) к болту заземления присоединяют заземляющий провод.

Рис. 14.3. Электронагревательная печь (боковой вид): 1 - трубчатые электронагреватели; 2 - стальной кожух; 3 - крышки; 4 - контакт заземления; 5 - перемычки; 6 - токоведущие шпильки; 7 - дно; 8 - отверстие для ввода электропитания

Переносные электроотопительные приборы применяют для дополнительного отопле-

ния жилых и общественных зданий, садовых домиков.

Распространенным электроотопительным прибором является электрокамин, который по исполнению может быть настенным, напольным, универсальным. Нагревательные эле-менты бывают сосредоточенными или линейными с температурой 750...800 °С.

Выпускают электрокамины чисто функциональные, предназначенные только для отопле-ния, и декоративно-функциональные, являющиеся, кроме того, частью интерьера. На рис. 14.4 показана конструкция функционального электрокамина со сферическим отражателем. Для изменения направления радиационного теплового потока отражатель может повора-чиваться. В декоративно-функциональном электрокамине (рис. 14.5) имитируется горение дров. Теплый воздух вращает вертушку с прорезями, и на панель и экран падают блики света от красной лампы.

416

Рис. 14.4. Электрокамин со сферическим отражателем: 1 - декоративная защитная решет-ка; 2 - нагревательный элемент; 3 - отражатель; 4 - патрон; 5 - шнур электропитания; 6 - кронштейн; 7 - поворотный винт; 8 - подставка

Рис. 14.5. Декоративно-функциональный электрокамин: а - вид спереди; б - вид сбоку; 1 - декоративный внешний корпус; 2 - внутренний металлический корпус; 3 - панель имита-ции топлива; 4 - декоративно-защитная решетка; 5 - полупрозрачный экран; 6 - вертушка; 7 - кронштейн с иглой; 8 - красная лампа; 9 - отражатель; 10 - патрон; 11 - нагревательные элементы

Электрорадиаторы делают напольными (с промежуточным теплоносителем - минераль-ным маслом) мощностью 0,5...3 кВт. Они бывают панельными (рис. 14.6) и секционными, когда корпус собирается из отдельных секций, сваренных между собой.

417

Рис. 14.6. Панельный электрорадиатор: 1 - герметичный корпус, заполненный маслом; 2 - регулятор температуры; 3 - шнур электропитания; 4 - электронагреватель

Теплоотдача электрорадиатора излучением составляет 50 % общего теплового потока. Максимальная температура поверхности радиатора достигает 110 °С, а средняя - 85...95 °С. Электрорадиаторы, как правило, имеют термоограничитель, отключающий прибор при достижении температуры 130 °С на корпусе. Выносной терморегулятор, которым укомплектовано большинство электрорадиаторов, позволяет поддерживать необходимую температуру в обогреваемом помещении.

В электроконвекторах теплоотдача осуществляется преимущественно (90 %) естественной конвекцией. Наиболее распространенной является напольная модель (рис. 14.7).

Электроконвектор мощностью 0,5...3 кВт представляет собой корпус, внутри которого расположены нагревательные элементы - спираль из сплава высокого сопротивления (как правило, нихрома) или трубчатый электронагреватель. Температура открытой спирали 600...900 °С, трубчатого нагревателя - 450...500 °С. Температура выходящего из конвекто-ра воздуха не превышает температуры окружающего воздуха более чем на 85 °С. Новые конструкции конвекторов оснащают терморегуляторами.

Электротепловентилятор - отопительный прибор с теплоотдачей при вынужденной кон-векции, создаваемой встроенным вентилятором. Мощность прибора доходит до 9 кВт, по-этому тепловентилятор иногда называют тепловой пушкой, выбрасывающей мощную тепловую струю.

Нагревательные элементы в электротепловентиляторах такие же, как в электроконвекто-рах. Приборы имеют ступени регулирования мощности и, как правило, две частоты вра-щения вентилятора. Для защиты от перегрева в цепь нагревательных элементов включают термоограничитель.

Выпускают также комбинированные электроприборы: электрокамины-конвекторы и элек-трокамины-радиаторы.

418

В основе расчетов тепловой мощности Q, Вт, отопительных приборов с прямым преобра-зованием электрической энергии в тепловую лежит закон Джоуля-Ленца, применительно к переменному току имеющий следующее выражение

где I - сила тока, проходящего по проводнику, А; г - активное сопротивление проводника, Ом; U - напряжение, подаваемое на проводник, В; k - коэффициент мощности проводника (при частоте тока 50 Гц k изменяется от 0,96 до 0,98 и его приравнивают к единице, но вводят некоторый запас мощности).

Рис. 14.7. Электроконвектор: 1 - корпус; 2 - нагревательный элемент в виде стальных пла-стин; 3 - выключатели; 4 - шнур электропитания

В расчетах количества теплоты, выделяемой греющим кабелем, учитывают зависимость активного сопротивления проводника от его температуры. Для металлических (из стали, алюминия, меди) токопроводящих жил греющих кабелей сопротивление г₁, Ом, при тем-пературе до 100 °С составляет

где ρ_о - удельное электрическое сопротивление провода или кабеля, Ом·м, при температу-ре О °С; 1_К - длина греющего элемента, м; а - площадь поперечного сечения провода или кабеля, м²; t_пр - температура греющего элемента, °С; α₀ - температурный коэффициент со-противления при О °С, 1/°С.

Расчет теплоотдачи панели при шаге раскладки кабелей 0,04...0,2 м выполняют в предпо-ложении равномерности температурного поля на поверхности. При этом для панели пло-щадью А_пан, м², с шагом раскладки кабеля s, м, длину греющего кабеля 1 _К, м, определяют по формуле

419

После подстановки (14.2) и (14.3) в (14.1) получим уравнение с двумя неизвестными s и t_пр. Поэтому в расчетах используют уравнение, в котором на основе экспериментальных данных температура на поверхности изоляции кабеля t_K связывается с шагом раскладки кабеля s и теплоотдачей 1 м² греющей панели q_K.

Теплоотдачу q_к, Вт/м², складывают из теплоотдачи лицевой q_лиц и тыльной q_тылI сторон

При проектировании греющей панели электрического лучистого отопления может быть принят следующий порядок расчета.

1. Назначают площадь отопительной панели А_пан, м², и по заданной тепловой нагрузке определяют требуемую плотность теплового потока q_лиц, Вт/м², панели в сторону расчет-ного помещения.

2. Вычисляют температуру лицевой поверхности панели t_п.лиц с проверкой допустимости ее как для панели водяного отопления и коэффициенты лучистого α_п.лиц и конвективного

α_{к лиц} теплообмена.

3. Находят требуемую среднюю температуру t_cp, °C, на оси заложения греющего провода или кабеля

и плотность теплового потока q_тыл, Вт/м², с тыльной стороны панели

449

где t_в.лиц, t_в.тыл - температура воздуха с лицевой и тыльной сторон панели, °С; R_лиц, r_тыл - сопротивления теплопередаче от оси источников к воздуху с лицевой и тыльной сторон

панели, м² °С/Вт.

4. По вычисленному значению q_тыл рассчитывают температуру поверхности панели с тыльной стороны t_п.тыл и плотность теплового потока панели q_к, Вт/м².

4. Определяют шаг раскладки кабеля s и температуру на поверхности изоляции кабеля t_K, используя уравнение (14.1), а также некоторые эмпирические зависимости.

4. Если t_к оказалась ниже предельно допустимой, a s - больше минимально возможного (10...15D_к), то по формуле (14.3) находят длину кабеля. В противном случае делают пере-расчет.

420