Нагревательный провод: разновидности, области применения, способы монтажа

Наша сегодняшняя тема — электронагревательные провода. Мы выясним, какие разновидности греющего кабеля можно встретить в продаже, где применяются системы кабельного обогрева и как они монтируются. Приступим.

Принцип действия

Как известно, при протекании электрического тока через проводник с ненулевым сопротивлением выделяется тепло. Его количество пропорционально сопротивлению проводника и квадрату величины тока.

Полное количество теплоты может быть рассчитано по формуле Джоуля-Ленца Q= I²*R*t, в которой:

• Q — искомое количество теплоты в джоулях;
• I — ток в проводнике в амперах;
• R — полное сопротивление проводника в омах;
• t — время измерений в секундах.

Практическое следствие: чтобы уменьшить выделение тепла на проводнике, нужно минимизировать  текущий через него ток. Сделать это без потери мощности можно, увеличив напряжение. Именно поэтому все ЛЭП — высоковольтные.

Однако проводник, разогревающийся при протекании тока, может быть использован и как источник тепла. По этому принципу работают все приборы прямого нагрева: электроплиты, обогреватели, бойлеры и т.д.

Греющий кабель — частный случай такого прибора. Его особенность — нагрев до сравнительно невысоких температур (обычно в пределах 40°С).

Впрочем, как мы увидим позже, из этого правила есть исключения.

Грубый расчет температуры нагрева проводников может быть выполнен по формуле Q=c*m*(t2-t1), где:

• Q — выделяющаяся на проводнике за единицу времени теплота (она рассчитывается по приведенной выше формуле Джоуля-Ленца);
• с — удельная теплоемкость материала проводника (для меди при комнатной температуре она равна 380 Дж/(кг*С));
• m — масса проводника в килограммах;
• t2 — искомая температура после протекания тока;
• t1 — начальная температура проводника.

Обратите внимание: схема расчета не учитывает излучаемого проводником при нагреве и рассеиваемого за счет конвекции тепла. Реальная температура будет ниже расчетной, причем разница будет расти по мере нагрева и увеличения тепловыделения провода.

Давайте выполним расчет для следующих условий: медный провод с сопротивлением 10 Ом и массой 0,5 кг нагревается текущим через него током в 10 А в течение 20 секунд. Температура в помещении равна +20 градусам.

Подставляем все величины в формулу:10²*10*20=380*0,5(t2-20). Решив несложное уравнение, мы получим 85 градусов по шкале Цельсия.

Разновидности

Какие виды греющих проводов предлагает современный рынок?

Прикрепленное видео расскажет вам больше о том, как устроен и где применяется провод нагревательный саморегулирующийся.

Одножильный резистивный

Самый простой конструктивно и самый дешевый греющий кабель — одножильный резистивный. Он представляет собой обычный провод в изоляции с единственной токоведущей жилой.

Это решение имеет несколько специфических особенностей, делающих его применение в бытовых целях довольно неудобным:

• Кабель должен образовывать замкнутый контур, поскольку оба его конца должны подключаться к питанию;

• Он всегда работает на номинальной мощности. Уменьшить тепловыделение можно лишь снижением напряжения питания;
• Перехлест провода приводит к его перегреву (поскольку выделяющееся в одной точке количество тепла удваивается), что часто становится причиной разрушения изоляции и короткого замыкания;
• Кабель нельзя резать. Уменьшение длины проводника при неизменном напряжении питания приведет к уменьшению его полного сопротивления и пропорциональному росту текущего через него тока. Поскольку тепловыделение пропорционально квадрату тока, перегрев укороченного кабеля гарантирован.

Давайте познакомимся с парой образцов одножильных кабелей:

Любопытно: резистивные низкотемпературные кабели нередко снабжаются экранирующей оплеткой, предназначенной для защиты электроники от наведенных токов. Однако у автора есть серьезные сомнения в пользе от экранирования: каких-либо помех и сбоев в работе вычислительной техники и радио он не наблюдал даже в непосредственной близости от системы кабельного обогрева без оплетки.

Двухжильный резистивный

Его единственное отличие от изученного нами выше решения — вторая токоведущая жила, позволяющая подключать снабженный концевой муфтой кабель к питанию одной стороной. Все остальные особенности — те же: неизменная длина секции, перегрев при перехлесте и постоянная мощность.

Зональный

Зональный кабель представляет собой эволюционное развитие резистивного. В нем две токоведущих жилы с низким сопротивлением соединяются друг с другом проводниками, выполняющими роль нагревательных элементов.

Такая конструкция дает возможность нарезать кабель отрезками произвольной длины: при этом будет меняться потребляемая мощность, а вот температура нагрева останется неизменной, поскольку длина каждого отдельного нагревательного элемента не меняется.

Саморегулирующийся

Все проблемы резистивного кабеля успешно и очень остроумно решены в так называемом саморегулирующемся.

Как он устроен?

Между двумя обладающими низким сопротивлением медными жилами размещена полупроводящая матрица из полимера-диэлектрика с высоким коэффициентом линейного расширения при нагреве. В полимер добавляется мелкодисперсный проводящий материал (например, графитовая пыль).

Что это дает?

• Автоматическую регулировку температуры. При охлаждении среды полимерная матрица уменьшается в размерах, и частицы проводника образуют больше токоведущих цепей. Это приводит к увеличению потребляемой мощности и к росту тепловыделения;

• Независимость терморегуляции для разных участков кабеля. При разнице в температуре между участками количество токоведущих цепей в них будет разным;
• Безопасность эксплуатации. Перехлест кабеля больше не приводит к его перегреву: при росте температуры мощность, потребляемая матрицей в области перехлеста, упадет до минимума;
• Экономичность. Кабель снижает энергопотребление в теплую погоду;
• Возможность нарезки провода отрезками произвольной длины. При этом опять-таки будет меняться полная мощность секции, но не ее нагрев.

Любопытно: саморегулирующийся кабель существует как в высоковольтной версии, с питанием от 220 вольт, так и в низковольтном исполнении. 12-вольтовый кабель остается безопасным даже при повреждении изоляции и применяется, в частности, для обогрева аквариумов и инкубаторов.

Применение

Где применяются кабельные системы обогрева?

Вот наиболее типичные области их бытового применения:

• Электрические теплые полы с укладкой кабеля в стяжку или под кафель, в слой плиточного клея;

• Защита открытых площадок (спортивных, детских, парковок для автомобилей и т.д.) от образования ледяного и снежного наката;
• Системы обогрева кровель и водостоков. Они предотвращают замерзание желобов в межсезонье и скопление на крыше опасного количества снега;

• Обогрев водопроводов и канализации при их открытой прокладке или укладке в грунт выше уровня промерзания;
• Обогрев емкостей (накопительных баков для воды, септиков и т.д.).

Любопытно: у автора этой статьи саморегулирующийся кабель отвечает за обогрев проложенной по фасаду дома канализации мансардного этажа и открыто установленного под крыльцом отстойника септика. Система обогрева показала свою эффективность в редкие для Крыма заморозки: даже при -20°С канализация продолжала функционировать.

Монтаж

Теперь пришло время ответить на несколько вопросов, так или иначе связанных с монтажом нагревательного провода своими руками:

1. Какой должна быть удельная мощность греющего кабеля при монтаже электрического теплого пола?

При качественном утеплении помещения — 150 ватт на квадратный метр поверхности. Для неутепленных помещений она может быть увеличена до 200-250 ватт.

Стоит уточнить: фактическое среднее энергопотребление благодаря работе терморегулятора будет как минимум вдвое меньше номинального. Резерв мощности нужен лишь для быстрого разогрева пола.

2. Какова максимальная нагрузка на один терморегулятор для кабельного теплого пола?

В отсутствие других указаний производителя терморегулятора — 3600 ватт. При большей мощности теплого пола собирается несколько контуров с независимой регулировкой температуры.

3. Какой мощности кабель брать для обогрева трубопроводов?

Инструкция зависит от диаметра трубы:

• Для водопровода достаточно 10 ватт на метр;
• Для канализации диаметром 50 мм — 16 ватт;
• Для 110-миллиметровой канализации — 30 Вт/м.

4. Как подключить саморегулирующийся кабель для напряжения 220 вольт к питанию?

Обычным многопроволочным проводом с двумя или тремя (в случае наличия экранирующей оплетки) жилами и вилкой. Соединение жил выполняется медными гильзами под обжимку. Изоляция соединений обеспечивается  термоусадочной трубкой; ей же изолируется конец греющего кабеля.

5. Можно ли прокладывать греющий кабель внутри водопровода или канализации?

В водопроводных трубах — можно. Для ввода кабеля используется фитинг с сальниковым уплотнителем.

В канализационных — нельзя.

Причин тому несколько:

• Кабель будет собирать мусор (волосы, бумагу и т.д.) и способствовать засорам канализации;
• Он с большой вероятностью будет намотан на трос или проволоку и поврежден при прочистке засора;
• Агрессивные бытовые стоки за 2-3 года разъедают термоусадку и приводят к выходу нагревательной секции из строя.

Однако: участок кабеля с цельной заводской оболочкой можно укладывать в отстойник или фильтрующий колодец септика. У автора кабельный обогрев отстойника организован именно так: несколько витков саморегулирующегося кабеля уложены на дно емкости, при этом соединение с холодным концом и концевая муфта находятся за ее пределами.

6. Как крепить греющий кабель на водопроводные или канализационные трубы?

Он укладывается под теплоизоляцию и приклеивается алюминиевым скотчем. Отражающая поверхность алюминиевой ленты уменьшает потери тепла за счет излучения и способствует нагреву трубы.

При открытой (без изоляции) прокладке канализации кабель стоит дополнительно зафиксировать полиэтиленовыми стяжками. Алюминиевый скотч непрочен и легко рвется, а оболочка саморегулирующегося кабеля достаточно жесткая и упругая.

Наконец, при обогреве водопровода кабель можно просто намотать на него спиралью.

Заключение

Надеемся, что нам удалось ответить на все вопросы читателя. Успехов!