Лента из аморфного металла

Обновлено: 03.05.2024

Библиографическая ссылка: Махнёв Д.В., Змиева К.А.. Об использовании ленты из аморфного сплава в качестве нагревательного элемента в системах обогрева и антиобледенения для арктических территорий. / Д.В. Махнёв, К.А.Змиева // Российская Арктика. – 2020. – №8. - С. 65-72

Аннотация. В статье проведен анализ и рассмотрены преимущества использования ленты из аморфного сплава для применения в системах антиобледения и обогрева в условиях арктических территорий.

Ключевые слова: аморфные сплавы, нагревательные элементы, системы обогрева, Арктика, системы антиобледенения.

Сегодня северные арктические территории являются тем местом, где наиболее передовые и современные высокие технологии находят свое применение. В условиях развития полярных городов, расположенных вдоль северного морского пути, проблемы обеспечения грамотной эксплуатации жилых и промышленных зданий в условиях низких температур становятся особенно актуальными. Одной из задач, требующих решения, является задача разработки эффективных антиобледенительных систем для кровель зданий, предотвращающих скопление снега и наледей как на самой кровле, так и на водоотводящих желобах. (Рис. 1).

Рис. 1. Система антиобледенения кровли (пример).

В стандартный состав антиобледенительной системы обычно входят:

- Нагревательный кабель. Схема его укладки определяется типом кровельной конструкции и конфигурацией водостока.

- Силовой электрический кабель (для соединения с сетью 220/380, 50Гц).

- Устройства защиты (отключают контур целиком при утечках свыше 30 mA и при превышении токов нагрузки) [10].

- Устройство управления. Система, реагирующая на сигналы датчиков температуры и влажности и запускающая или приостанавливающая обогрев в рамках рабочих температур.

В производстве и домашних условиях используется широкое разнообразие нагревательных элементов. Изначально для производства таких элементов использовались металлы и металлические сплавы. Самой распространенной формой для нагревательного элемента считается кабель. За счет своих свойств и относительно низкой стоимости, он является очень привлекательным для систем обогрева. Начиная с конца 20 века, научно-техническое сообщество всерьез стало изучать возможность использования из инновационного аморфного металлического сплава в качестве нагревательного элемента для внутреннего и внешнего обогрева [5, 6].

Особенностью аморфных сплавов является отсутствие у них дальнего порядка в расположении атомов (трансляционная симметрия). Структура аморфных магнитомягких сплавов характеризуется отсутствием у них в строгой периодичности, присущей кристаллическому строению в расположении атомов ионов молекул на протяжении сотен и тысяч периодов параметров кристаллической решетки. Считается, что отсутствие дальнего порядка в расположении атомов в аморфном состоянии приводит к изотропии магнитных свойств [1]. В аморфных сплавах отсутствуют такие специфические для кристаллических тел дефекты атомной структуры, как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и дефекты упаковки [2].

Всем аморфным сплавам, независимо от их состава, присущи высокие прочностные свойства, высокое удельное электросопротивление и повышенная стойкость к воздействию облучения (Табл. 1). В зависимости от природы компонентов аморфные сплавы могут обладать прекрасными функциональными свойствами, которыми определяется их практическое использование. Аморфные сплавы – это и магнитно-мягкие материалы, обладающие гистерезисными магнитными свойствами, уровень которых близок для лучших кристаллических магнитно-мягких материалов; это и материалы с высокой прочностью и коррозионной стойкостью; это и материалы с инварными и элинварными свойствами; это и материалы с особыми электрическими свойствами. Аморфные сплавы уже прочно заняли свою нишу и в производстве, и в применении. Основная масса производимых аморфных сплавов используется в качестве электротехнических материалов для различного рода трансформаторов и других устройств, где они применяются как магнитопроводы. Обладая почти идеальной фазовоструктурной однородностью и высоким удельным электрическим сопротивлением, аморфные сплавы имеют чрезвычайно низкие потери на перемагничивание, что и предопределяет их применение как электротехнических материалов [2].

Табл. 1. Характеристики аморфной металлической ленты

Удельное электрическое сопротивление

Благодаря особому составу сплава

Пластичность и гибкость

Благодаря широкой поверхности ленты

Время на разогрев до стабильного состояния

Благодаря низкой тепловой инерции

Системы внутреннего и внешнего обогрева

Сегодня нагревательные элементы на основе аморфной металлической все более и более широко используются в системах обогрева и антиобледенения [8, 9].

Низкая рабочая температура.

Теплопередача от любого нагревательного элемента находится в пропорциональной зависимости от площади поверхности и разницы температур между нагревателем и окружающей средой. Чем больше площадь поверхности, тем меньшая разница температур требуется для теплопередачи от нагревателя в окружающую среду. По сравнению с обычным кабелем, применяемым в большинстве нагревателей, лента за счет относительно большой поверхности отдает тепло в окружающую среду на низких температурах намного эффективнее. Например, если сравнить два нагревателя, из которых первый – кабельный элемент диаметром 0,5 мм, а второй – аморфная металлическая лента шириной 10 мм, с одинаковой тепловой мощностью, можно заметить, что рабочие температуры значительно разнятся. Температура ленты в 12 раз ниже температуры обычного кабельного элемента [3].

Фактически это означает, что большая площадь теплопередачи ленты позволяет достигать такой же тепловой мощности (как и у стандартного кабеля) при низких рабочих температурах нагревательного элемента.

Эффективность теплопередачи.

Сравнение температур аморфной металлической ленты и обычного кабеля одинаковой тепловой мощности было произведено по следующим параметрам:

Длина ленты/кабеля = 1 метр.

Толщина ленты = 20 μм.

Сопротивление сравниваемых элементов = 1,4 x 10-6 Ом на метр.

Коэффициент теплопроводности сравниваемых элементов = 5,6 Вт/м2 °C.

Разница температур на поверхности ленты/кабеля и окружающего воздуха составляет 100 °C.

Условия охлаждения – естественная конвекция.

Табл. 2. Расчет коэффициента разницы температур нагревательного кабеля к ленте

Поверхность теплопередачи на единицу длины,

Коэффициент разницы температур кабеля к ленте

Итоги, полученные из вышеуказанной таблицы:

Большая площадь теплопередачи ленты производит такую же нагревательную мощность при более низкой температуре, чем кабель.

Эффективность нагревания ленты значительно больше, чем эффективность нагревания кабеля.

Тепловая инерция

Аморфная металлическая лента имеет очень низкую тепловую инерцию за счет низкой массы ленты. Благодаря такому свойству лента нагревается до 30 ⁰C через 3 минуты после включения, в то время как кабель достигает той же температуры через 10 минут работы (что более чем в три раза медленнее) (Рис. 2).

Рис. 2. График изменения температуры нагревательной ленты и кабеля после включения

Энергопотребление.

Распространение тепла от нагревательного элемента в окружающую среду производится по следующему алгоритму: поступающая энергия нагревает сам нагревательный элемент, а затем электрическую изоляцию, после чего нагревательный элемент греет окружающее пространство.

В каждом случае масса нагреваемой поверхности значительно больше массы нагревательного элемента (ленты или кабеля). Время выхода на рабочую температуру зависит от массы поверхности и не зависит от массы нагревательного элемента. Это означает, что экономия энергопотребления имеет место быть только в процессе, пока нагревательный элемент достигает определенной температуры.

Благодаря тому, что аморфная металлическая лента очень тонкая, она обладает очень низкой массой. В результате нагревание до требуемой температуры проходит очень быстро, а потребление электроэнергии по сравнению с обычным кабелем меньше. Кроме того, фактическое электрическое сопротивление кабеля в большинстве случаев намного меньше, чем у аморфной ленты. В результате, требуется кабель большей массой для обеспечения такого же электрического сопротивления (одинаковое электрическое сопротивление обеспечивает одинаковую мощность для сравниваемых нагревательных элементов) [4].

Для того, чтобы понять сколько требуется энергии для прогрева самого нагревательного элемента, давайте произведем расчет на 1 кВт электроэнергии для аморфной металлической ленты и кабеля по следующим геометрическим параметрам (мощность 220 В) (Табл. 3):

Табл. 3. Параметры сравниваемых нагревательной ленты и кабеля

Для увеличения температуры кабеля на 2 ⁰C требуется электроэнергии в 0,00016 кВт∙ч. Масса ленты в таком случае меньше в 4 раза. Это означает, что электроэнергии для нагрева ленты в таких же условиях понадобится 0,00004 кВт∙ч (Рис. 3).

Рис. 3. Количество электроэнергии, требуемое нагревательной ленте и кабелю для нагрева на 2 ⁰C

Необходимо отметить, что у кабеля больше изолирующего материала, чем у ленты. Это еще больше увеличивает затраты на нагрев кабеля по сравнению с лентой.

Исходя из вышеизложенного, нагревательная лента гораздо более эффективна, чем кабель. Потребление электроэнергии у ленты в 2-4 раза ниже, чем у кабеля. Это дает множество возможностей для экономии электроэнергии при работе нагревателей в цикличном режиме.

Экологичность.

Благодаря значительно более низкой рабочей температуре аморфной ленты, в сравнении с кабелем, системы на основе аморфной ленты гораздо более экологичны: пыль на поверхности нагревателей не сгорает, как это происходит с высокотемпературными нагревательными элементами. Более низкая температура означает более здоровое окружение, повышенную безопасность и продолжительную работоспособность.

Измерения силы магнитного поля аморфной металлической ленты показали, что оно крайне низкое [7]. На расстоянии 10 мм от нагревательного элемента сила магнитного поля меньше трети магнитного поля Земли (которая составляет ~420 мГн) и практически полностью растворяется чуть выше.

Безопасность.

Технология системы обогрева, в основе которых лежит аморфная металлическая лента исключает риск каких-либо повреждений поверхностей, к которым или на которые они устанавливаются (в отличие от других систем, работающих на значительно более высоких температурах).

Аморфная металлическая лента может быть использована как низкотемпературный нагревательный элемент.

Низкотемпературный нагревательный элемент на основе аморфной металлической ленты экологичный и безопасный.

Аморфная металлическая лента обладает очень низкой тепловой инерцией и достигает стабильного температурного состояния за относительно короткое время.

Тепловая эффективность ленты значительно выше, чем у кабеля. Большая площадь поверхности теплопередачи ленты позволяет достигать такой же тепловой мощности (как при использовании обычного кабеля) на более низких рабочих температурах нагревательного элемента.

Ультратонкая лента с большой площадью поверхности предотвращает поглощение тепла металлом и делает теплопередачу эффективнее.

Существенная экономия энергии рассчитывается за счет низкой тепловой инерции и эффективной теплопередачи, особенно в режиме быстрого переключения (вкл/выкл).

Высокая механическая прочность, низкая температура нагрева и коррозионная устойчивость наделяют ленту высокой степенью надежности, что особенно важно при эксплуатации антиобледенительных систем в экстремальных условиях арктических территорий.

Список литературы:

Статья представлена в открытом доступе в полнотекстовом формате по лицензии Creative Commons 4.0

Теплый пол на основе металлической аморфной ленты: преимущества

Тепло ногам, тепло и телу – именно этим правилом руководствуются все, кто решает создать систему обогрева полов. Обустроить обогрев можно разными способами, и чтобы сделать правильный выбор, нужно изучить особенности каждой системы. Одним из самых малорассматриваемых и непонятных остается теплый пол на основе аморфной металлической ленты.

Что это такое?

Первым делом стоит уяснить, что это подвид электрического тёплого пола. Основа его – аморфная металлическая лента. Уникальные обогревающие свойства она получила благодаря тому, что металл расплавили и почти мгновенно охладили. Эта технология уникальна.

Сегодня технология аморфного электрического теплого пола самая прогрессивная из имеющихся. Все потому, что она самая энергоэффективная, а значит экономная. Хотя ее основой является металл, но он за счет особой подготовки отличается от своих металлических собратьев механическими, электрическими, магнитными и другими свойствами.

Распространение тепла по помещению с таким обогревом намного эффективней и равномерней.
Рабочая температура в пределах +40⁰, что абсолютно безопасно для человека.
Система конструктивно очень прочная, чего нельзя сказать о металлах в кристаллическом виде.
Даже несмотря на то, что элементы металлические, служит такой пол долго и не поддается коррозии.
Электромагнитное поле безопасное.

Такой теплый пол — отличная альтернатива кабельному и ИК, поскольку в нем нет недостатков, присущих этим двум типам пола.

Плюсы и минусы

Аморфный теплый пол имеет массу преимуществ, но есть у него и недостатки. Начать следует с позитивных качеств, среди них:

Высокая теплоотдача при толщине аморфной металлической ленты всего 20-25 мкм.
Энергоэффективность – она достигается за счет мгновенной отдачи тепловой энергии, металлическая лента ее не накапливает, что является важным моментом в обогреве. Температура в помещении будет повышаться быстро.
Большая площадь теплопередачи, что обеспечивает равномерное распределение тепла.
Нетребовательность к условиям монтажа: укладывать можно прямо в слой плиточного клея.
Отсутствуют конвекционные потоки, связанные с разностью температур в разных горизонтальных плоскостях помещения.
Если один элемент повредится, это не повлияет на качество функционирования и температуру пола.

Среди недостатков аморфных полов стоит упомянуть следующие:

Как было сказано выше, такой теплый пол не аккумулирует энергию, а это значит, что его быстрый нагрев означает такое же быстрое остывание. Если возникнут перебои с электричеством, пол быстро остынет.
Нагревать пол до температуры выше +28⁰ крайне нежелательно, ведь это может привести к нивелированию уникальных свойств ленты, которая является основой этой системы.

Обратите внимание! За счет того, что существует подобное ограничение в температуре нагрева, этот тип теплого пола считается отличным решением при обустройстве паркетных полов и при использовании ламината и линолеума.

Что еще нужно знать про аморфный теплый пол?

Система обогрева на основе аморфной ленты считается экономной не только за счет меньшего энергопотребления. Важным ее качеством считается оптимальный обогрев. Если уменьшить температуру прогревания пола на 2°С, человек не ощутит разницы. Экономия в этом случае налицо.

Продается подобная система теплого пола в виде матов, которые расстилаются на предварительно подготовленное бетонное основание. И еще одна особенность: сверху заливать слой бетонной стяжки не нужно. Можно сразу подготовить бетонную основу, расстелить маты аморфного теплого пола и уложить сверху линолеум или ламинат. Эти требовательные к температуре покрытия не пострадают, а температура в помещении будет комфортной.

Вывод

На сегодня аморфный теплый пол считается отличной альтернативой другим системам обогрева, которые монтируются под полом. Энергоэффективость и удобство монтажа этой системы на высоком уровне. Единственное, что пока отталкивает потребителей – это высокая цена, ведь новое всегда дорого. Вероятно, скоро такие системы станут дешевле.

Технология СТН на основе аморфной металлической ленты

В качестве нагревательного элемента обогревателей СТН используется аморфная металлическая лента. Этот материал имеет высокий коэффициент теплопередачи и позволяет отапливать большую площадь, чем аналоги и экономить электроэнергию.

Компания «СТН» является разработчиком и производителем приборов и систем электрического обогрева на базе поистине прорывной технологии. Вся продукция компании производится на основе инновационного нагревательного элемента из аморфно-металлической ленты. Лента из аморфного сплава изготавливается по уникальной запатентованной технологии путем сверхбыстрого охлаждения расплавленных металлов, прежде чем они успеют снова выстроиться в прежние кристаллические структуры. Аморфная структура сплава получается только при сверхбыстрой скорости его охлаждения – несколько сотен тысяч градусов в секунду. Иначе говоря, металл застывает за тысячные доли секунды.

Благодаря уникальным свойствам ленты из аморфного металла, нагревательные приборы, сделанные на основе такой ленты, приобретают ряд удивительных и полезных свойств по сравнению с традиционными технологиями:

Впервые аморфный металл был произведен 1960 году, после чего ученые заинтересовались его необычными свойствами. С тех пор их, развитие технологий порождает все новые и новые способы применения этого инновационного материала.

Обычные металлы и сплавы имеют кристаллическую структуру. Атомы и молекулы расположены упорядоченно, но у каждой кристаллической решетки имеются уязвимые точки. Но не всякий атом занимает отведённое ему место. Исследования показывают: на каждые 15–20 тысяч атомов один находится «вне строя», и его место в узле кристаллической решётки всегда свободно. Кроме того, сама решётка по разным причинам теряет строгую форму. Это резко ухудшает свойства металлов – реальная их прочность примерно в тысячу раз меньше, чем была бы при идеальной кристаллической решётке.

В отличие от кристаллического металла, в расположении частиц в аморфном металле нет строгого порядка. Хотя аморфные твёрдые тела способны сохранять форму, кристаллической решётки у них нет. Атомы в аморфных телах совершают колебания вокруг точек, которые расположены хаотично. Поэтому структура этих тел напоминает структуру жидкостей.

У аморфных тел нет определённой температуры плавления. При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются. Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). Самое распространенное аморфное твердое тело – это обычное стекло. При охлаждении стекловидная масса просто увеличивает свою вязкость. Она не превращается в твердое кристаллическое тело, а, следовательно, сохраняет физические свойства жидкостей, как и аморфный металл.

Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т.е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т.д.) от направления внешнего воздействия. В металлах это означает, прежде всего, одинаковую и практически мгновенную электро и теплопроводность.

Электрические свойства аморфных металлов позволяют использовать их в высокоэффективных энергосберегающих обогревательных приборах. В обычном электрическом приборе потери электроэнергии неизбежны из-за ее преобразования в тепловую энергию: часть расходуется на нагрев проводов (потери короткого замыкания), а часть – на перемагничивание (потери холостого хода). Аморфные нагревательные элементы работают при низкой температуре поверхности по сравнению с проволочными, металлическими ТЭНовыми нагревателями. В обогревателях «СТН» происходит мгновенное преобразование электрической энергии в тепловую без промежуточных потерь. Так же эффект теплопередачи достигается за счет большой теплопередающей площади, в результате это позволяет снизить температуру нагревателя (при его толщине всего 20-30 микрон). Снижение температуры нагревателя обеспечивает более благоприятный экологический эффект – влажность воздуха не уменьшается, нагревательный элемент не контактирует с воздухом, на нем не горит пыль, отсутствует неприятный запах.

Именно в результате действия всех перечисленных факторов достигается экономия затраченной мощности нагревателя от 40 до 50% и нагревательные приборы мощностью 500 Вт справляются с обогревом помещений, в которых стандартные металлические ТЭНы, спирали, СТИЧ-элементы и элементы из обычной стали затрачивают 1000 Вт.

Читайте также: