Нагревательный кабель (греющий кабель), его конструкция и принцип работы

Нагревательный кабель (греющий кабель)– это проводник высокого сопротивления, нагревающийся при прохождении по нему электрического тока. Является основным элементом систем кабельного обогрева, широко применяемых для решения проблем обогрева в промышленности и быту. Спектр применения нагревательного кабеля – от подогрева полов в жилых помещениях до поддержания температурного режима в трубопроводах неограниченной длины. Нагревательный кабель применяется в виде секций, представляющих собой отрезки, длина которых может составлять от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров.

Это специфический вид кабельных изделий, которые выполняют функцию приемника электроэнергии, а не передающей линии. В основе принципа работы нагревательного кабеля – преобразование электрической энергии в тепло. Преобразование электричества в тепло происходит оптимальным и экономичным способом, без использования топлива или окислителя. Основным параметром нагревательного кабеля является удельное тепловыделение (Вт/м), то есть мощность, выделяемая на единицу длины.

Главный конструктивный элемент кабеля – внутренняя жила, изготовленная из специального сплава с высоким электрическим сопротивлением. Снаружи ее защищает оболочка из полимерного изоляционного материала с экранирующей сеткой из медной проволоки или сплошного алюминиевого экрана. Все это располагается в поливинилхлоридной оболочке, обеспечивающей надежную защиту от внешней среды.

Жилы изготавливают из стали, меди с никелевым покрытием или нихрома. Для изоляции нагревательного элемента используют стекловолокно, кремнийорганическую резину, слюду, фторполимеры, для защитных оплеток – луженую или никелированную медную проволоку, а также нержавеющую стальную проволоку. Наружную оболочку изготавливают из устойчивого к коррозии полимера.

Нагревательные кабели могут иметь одну жилу, две или несколько. Одножильный кабель недорогой по цене и простой по конструкции, но у него есть существенный недостаток – электромагнитное излучение. В двужильном кабеле имеется токопроводящая жила, за счет которой уровень излучения снижается.

Виды нагревательных кабелей

Нагревательные кабели имеют достаточно развитую номенклатуру и находят применение в самых разнообразных установках и устройствах. По схеме тепловыделения они подразделяются на резистивные, саморегулирующиеся и кабели с минеральной изоляцией.

Резистивные кабели

Резистивные кабели делятся на линейные и зональные. В линейных тепло выделяется за счет эффекта Джоуля-Ленца при прохождении тока по нагревательной жиле. Кабель сконструирован таким образом, что в нагревательной жиле происходит полное падение приложенного напряжения, но не происходит перегрева выше допустимого значения. Длина секции может быть до нескольких сотен метров. Кабель такого типа бывает одножильным, двужильным или может иметь несколько нагревательных жил линейной или спиральной формы. Произвольная резка такого кабеля не допускается.

Принцип действия резистивных зональных кабелей такой же, различия имеются в их конструктивном исполнении. В зональном кабеле располагаются две параллельные изолированные токопроводящие жилы. В изоляции токопроводящих жил имеются «окна», смещенные по отношению друг к другу с заданным шагом. Поверх токопроводящих жил накладывают тонкую проволочную спираль из сплава высокого сопротивления. В «окнах» происходит замыкание спирали на жилы, а кабель становится набором резисторов, параллельно подключенных к токопроводящим жилам. Зональный кабель можно разрезать на секции, минимальная длина составляет 1,5 - 2 м, максимальную длину определяют сечением токопроводящих жил и линейной мощностью. Зональные кабели называют кабелями постоянной мощности, так как их мощность от температуры практически не зависит.

Саморегулирующиеся нагревательные кабели

По конструкции саморегулирующиеся нагревательные кабели имеют сходство с резистивными зональными кабелями. В них также имеются две параллельные токопроводящие жилы, но без изолирующего покрытия. Токопроводящие жилы заключаются в полимерную проводящую матрицу, или соединяются посредством спиральных полимерных проводящих нитей. Саморегулирование происходит за счет того, что тепловыделяющий элемент кабеля, изготовленный из полимерного проводящего материала, существенно увеличивает сопротивление в процессе нагревания. Величина ТКр полимера в 12-18 раз больше, чем у проводника из меди.

Тепловыделение кабелей может меняться по длине и зависит от температуры окружающей среды. При ее повышении сопротивление полимера возрастает, а тепловыделение падает. Это и есть эффект саморегулирования, при котором не происходит перегревания и перегорания кабеля. Саморегулирующийся кабель можно нарезать в виде секций длиной от 20 см до нескольких десятков метров.

Кабели с минеральной изоляцией

Этот вид кабелей представляет собой металлический проводник с изоляцией из оксида магния (MgО) – компактированного неорганического минерала в цельной металлической оболочке из меди, медно-никелевых сплавов, нержавеющей или жаропрочной стали.

Проводник, представляющий собой токопроводящую жилу, изготавливается из меди, медных сплавов и сплавов сопротивления. Минеральный изолятор обладает ценными физическими свойствами, обеспечивает стабильность структуры и высокие диэлектрические свойства в широком диапазоне температур. Порошкообразный оксид магния признан самым надежным и высокоэффективным изолятором с высоким коэффициентом теплопроводности.

Кабели с минеральной изоляцией и медной оболочкой обладают целым рядом преимуществ. Кабели этого вида характеризуются высокими механическими свойствами, которые обеспечиваются благодаря цельной механической оболочке, абсолютной стойкостью и герметичностью в различных средах, устойчивостью к действию УФ – излучения, максимальной защитой от электромагнитного излучения и очень низким коэффициентом линейного расширения. Отличаются высокой погонной мощностью и длительным сроком эксплуатации, который составляет 60-80 лет.

Применение нагревательных кабелей

Нагревательные кабели широко применяются в быту и в промышленности. В быту их применяют для обогрева пола, водостоков, водопровода и кровли. В промышленности – для обогрева труб и трубопроводов, резервуаров и емкостей, разогрева продуктов, поддержания технологической температуры, подогрева пола морозильных камер.

Теплый пол

Встроенные кабельные системы «Теплый пол» могут применяться для отопления жилых и производственных помещений. Характеризуются повышенным комфортом, удобной эксплуатацией и значительной экономией электроэнергии, обеспечивают равномерное и оптимальное распределение тепла. Устанавливается в конструкцию любого типа – в бетонные, деревянные и другие виды полов в толщу цементной стяжки, укладываемой под декоративным покрытием пола.

Обогрев водостоков и кровли

Обогрев водостоков при помощи нагревательных кабелей обеспечивает работоспособность системы организованного водостока в течение зимы и межсезонья, помогает решить проблему обледенения крыш, образования сосулек и обеспечивает безопасность прохожих. Кроме того, системы обогрева снижают расходы на ремонт кровли. Для обогрева кровли и водостоков чаще всего применяют саморегулирующиеся греющие кабели, которые монтируются вдоль водосточных труб и путей стока воды, на ендовах, водометах, карнизах и примыканиях.

Обогрев водопровода

Системы кабельного обогрева широко применяются для защиты трубопроводов от промерзания и повреждения. Их устанавливают снаружи или внутри трубы. Греющий кабель для водопровода подбирают так, чтобы потери тепла трубопровода не превышали выделяемого системой тепла. Кабель укладывается в один или несколько параллельных рядов. Применяется также способ укладки кабеля по спирали. Для крепления используют липкую ленту или стягивающую металлическую сетку. Снаружи трубу с кабелем обматывают фольгой.

Обогрев труб и трубопроводов в промышленности

Системы обогрева трубопроводов предохраняют не только от замерзания в них воды, но и от кристаллизации, чрезмерного загустения различных веществ и закупорки труб при перекачке нефтепродуктов, химикатов и других жидкостей. Вследствие промерзания водопроводных труб они лопаются, а трубопроводы, используемые для подачи топлива, закупориваются и выводят из строя оборудование. Для трубопроводов длиной более 150 м и трубопроводов для вязких жидкостей применяются зональные или специальные резистивные греющие кабели постоянной мощности для высоких температур. Системы кабельного обогрева компенсируют теплопотери содержимого трубопроводов и предотвращают выпадение конденсата при прохождении по тубам газообразных продуктов. Система обогрева трубопроводов состоит из нагревательной части, распределительной и информационной сети, а также системы управления.

Обогрев резервуаров и емкостей, разогрев продукта, поддержание технологической температуры

Прохождение технологической цепочки в современной промышленности требует определенного температурного режима, который обеспечивает промышленный обогрев емкостей, резервуаров и других объектов. Обогрев резервуаров и емкостей производится для поддержания необходимой температуры их содержимого – нефти, нефтепродуктов, химических веществ, пищевых продуктов и воды. Основными его задачами является технологический обогрев, предотвращение замерзания, компенсация теплопотерь и стартовый разогрев. Для обогрева резервуаров и емкостей могут использоваться все виды кабелей. Система обогрева состоит из нагревательного кабеля и аксессуаров, контрольно-распределительной сети, осуществляющей передачу сигналов и питание, и системы управления.

Подогрев пола морозильных камер

Полы в морозильных камерах находятся в постоянном взаимодействии с грунтом, который промерзает и вспучивается. В результате этого разрушается не только пол, но и само сооружение. Во избежание этого, в морозильных камерах устанавливают системы защиты грунта от промерзания. Широкое применение получили системы кабельного обогрева. Нагревательный кабель укладывается между холодной поверхностью и фундаментом. При укладке теплоизоляционных полов греющий кабель прокладывают ниже теплоизолирующего слоя. Система кабельного обогрева морозильных камер надежна, долговечна, безопасна и не требует профилактического ремонта.

Нагревательные кабели находят широкое применение во многих отраслях промышленности, их используют в устройствах самых разных размеров и мощностей – от греющих элементов в бытовых приборах до систем обогрева железнодорожных путей, стадионов, взлетных площадок и магистралей трубопроводов.