Нагревательный кабель

Нагревательный кабель – это электрическое устройство, основывающее свой принцип на законе Джоуля-Ленца и предназначенное для поддержания температурного режима поднадзорного объекта. Владельцы частных домов установкой подобных систем предохраняют свой водосток от промерзания в холодное время года.

История создания кабельных систем обогрева

Настолько мало информации по поводу развития кабельных систем обогрева, что следует остановиться на этом более подробно. Действительно, как это говорится во многих источниках, старт взят в 30-е годы XX века. Но заявка на патент подана в 1929! В чем различие? В том, что нужно говорить правильно: идея кабельного обогрева появилась в 20-е годы. И даже 17 декабря 1929 года была составлена и подана заявка в патентное бюро. Это неким образом защитило автора от расхищения идеи. Можно сказать, что Кристиан Бэкер Берг застолбил для себя нечто новое, с чего в будущем мог бы получить прибыль.

Патент Кристиан Бэкер Берг

Патент Кристиан Бэкер Берг

Практика заявок своя для каждой страны. Так например, в Канаде специальный государственный институт занимается приёмом неоконченных идей с тем, чтобы автор мог своевременно получить информацию о разработках в затрагиваемой области. Разумеется, подробности известны только правообладателям. (См. также: Саморегулирующийся кабель)

После подачи заявки назначается экспертная комиссия, рассматривающая суть вопроса. Попутно оценивается не только качество представленных документов, но и новизна изобретения. Причиной для отказа может стать многое. В частности, если будут признаны налицо очевидность творческого замысла, либо повтор уже имеющихся патентов. По ходу рассмотрения заявки комиссия может нуждаться в пояснениях, и автор должен их дать. Патент США под номером US1857615 A находился на экспертизе более двух лет и, будучи подан 17 декабря 1929 года, получил одобрение только 10 мая 1932 года. В современной России срок рассмотрения обычно составляет порядка 12 месяцев.

Согласно указанному документу на суд публики представили нечто, напоминающее современный ТЭН. В том плане, что электрическая жила была изолирована кристаллическим порошком, и вся конструкция помещалась в металлическую трубку. Совсем, как в нагревательном элементе какой-нибудь стиральной машины или утюга. По замыслу творца изделие должно было служить именно тем, о чем написан этот раздел. То есть при необходимости нагревательный кабель поднимал температуру до нужного уровня. Кстати, сам изобретатель и называл своё изделие трубчатым (ТЭН – трубчатый электрический нагреватель). Вот как поясняется замысел (новизна и применяемость в производстве):

  1. Жила высокоомного провода сворачивается в спираль для увеличения значения погонной мощности изделия (на единицу длины).

    Трубчатый электрический нагреватель

    Трубчатый электрический нагреватель

  2. Кристаллический наполнитель нужен для того, чтобы без проблем выдерживать высокие температуры. Сегодня в конструкции нагревательного кабеля активно используются полимеры, но в 30-е годы XX века не было такой возможности.
  3. Металлическая оболочка (в оригинале сталь, а сегодня часто используется и медь) нужна для того, чтобы по возможности лучше передавать тепло наружу. И сегодня ТЭНы конструируются по этой схеме. Кроме того металл обеспечивает должную прочность.
  4. Специфический процесс производства предполагал помещение спирали кристаллического магния в металлическую трубу с последующей обработкой паром. За счёт описанных условий шло активное образование гидроксида. По объёму получалось больше раза в 2, нежели оставалось магния. Порошок гидроксида и служил изолятором. Оставшуюся воду выпаривали при «сравнительно высокой температуре». Затем приводятся технологические подробности производственного процесса.

Любопытно, что не указываются конкретные значения. В современной химии известно, что при температуре порядка 350 градусов Цельсия гидроксид магния начинает распадаться, теряя воду. Этот процесс имел в виду изобретатель или просто сушку от использованного пара? Скорее всего, он оставил этот маленький секрет себе, как гарантию того, что тайна патента не будет полностью узнана сторонним человеком даже в случае случайной или намеренной передачи информации третьим лицам. По ходу текста изобретатель отмечает факт возможного контакта спирали под током с металлической оболочкой, что делает электрическую изоляцию изделия недостаточно высокой (для современных приборов – порядка 20 МОм). Для решения этой проблемы внутрь вводится ещё одна спираль чуть большего диаметра, которая будет надёжно охранять напряжение от выхода наружу.

Кабельная система обогрева

Кабельная система обогрева

Указанный патент лёг в основу изобретения того, что сегодня именуется резистивным кабелем. Дальнейший ход научной мысли приостановился на много лет. Следующий оригинальный патент из Норвегии был заявлен 14 мая 1947 года. В США он зарегистрирован под номером US2494589 A. В этом патенте уже заявлена конструкция саморегулирующегося нагревательного кабеля. Две токонесущие разделены слоем полимерной матрицы. Суть изобретения в том, что с повышением температуры пластик с вкрапленным металлическим порошком расширяется, закономерно увеличивая своё электрическое сопротивление. В результате ток падает, и уменьшается теплоты, выделяемая по закону Джоуля-Ленца. Указанные процессы ведут к снижению температуры.

В результате происходит охлаждение. Тогда матрица сжимается, ток опять увеличивается, процесс возвращается к исходной точке. Это повторяется бесчисленное количество раз, за счёт чего режим поддерживается в пределах нормы. Изобретение удобно не только продуманным автоматизмом, но и формированием нужной конструкции для обогрева объектов. Саморегулирующийся кабель за счёт своих особенностей может быть любой длины (хотя на практике максимум ограничивается пропускным общим током, который имеет наибольшее значение возле источника питания и снижается к окончанию).

Для чего нужен нагревательный кабель

В быту нагревательный кабель чаще всего используется в качестве противообледенительной системы кромок крыш, водостоков, крылечек, ступеней, дорожек. В этом случае стоит задача поддержания температуры в районе нуля градусов. Прочие применения можно назвать промышленными. Иногда нагревательный кабель используют для подогрева воды в трубе, если температура недостаточна. (См. также: Кабель СИП)

Кабель нагрева

Кабель нагрева

Во всех случаях изделие работает в паре с контроллером, производящим операции по управлению. Резистивный нагревательный кабель нуждается в сенсоре, поскольку не может самостоятельно регулировать свою работу. От места установки датчика и зависит работоспособность всей системы. Очень редко встречаются практические приложения, где мощность потребления никак не регулируется. В остальных случаях варьируется напряжение питания или другие параметры. Для саморегулирующихся кабелей такие меры излишни.

Использование нагревательного кабеля

Применение нагревательного кабеля в промышленности декларируется международным стандартом IEEE 515. Он недоступен для свободного скачивания в электронном виде и продаётся по цене чуть более 100 долларов. Организация IEEE также предоставляет к нему доступ своих подписчиков (что тоже стоит денег). Надо признать, что многие ресурсы спекулируют интересом к этому документу и предлагают даже скачать какой-то исполнимый файл для установки… Те, кто опасается развёртывания на своём компьютере троянов и прочей нечисти, таким предложением пользоваться не должен. Отечественной разновидностью систем для обогрева труб можно считать перевод в документе ГОСТ Р МЭК 62086-2, согласно которому типы установки могут быть следующими:

  • I – требуется поддерживать температуру выше определённой точки. Характерно для противообледенительных систем. Допустим резкий рост температуры, поэтому точность для сенсоров требуется небольшая.
  • II – поддержание температуры в среднем и широком диапазоне. В качестве сенсора подходит механическое термореле.
  • III – требуется поддержание температуры в узком диапазоне. Как например, в холодильниках. В качестве сенсоров используются термопары.
Применение кабеля

Применение кабеля

Также системы нагрева бывают (совместно с приведёнными в списке типами) для обслуживаемого объекта критическими (С) или некритическими (NC). В первом случае должна быть предусмотрена сигнализации об отказе этой части оборудования, также следует дополнить основную линию резервной (с отдельным питанием электрическим током и автоматическим включением командой контроллера). В некритических системах кабельного обогрева требования к температуре пониженные, и в случае выхода параметров за рамки предусмотренных пагубных последствий не произойдёт.

Обязательно предусматривается теплоизоляция. Для систем Тёплый пол это подложка под нагревательный элемент с таким расчётом, чтобы энергия шла только вверх. Подобные меры с одной стороны минимизируют затраты на электричество, с другой – изменяют условия эксплуатации несущих конструкций. Таким образом, толщина слоя теплоизоляции должна подбираться согласно существующим условиям. Например, в обычно панельном доме нагрев нижнего перекрытия со стороны квартиры уменьшится при оборудовании её системой Тёплых полов. А значит, плита станет зимой сильнее промерзать с торца, что может привести к значительному снижению срока эксплуатации строительной конструкции.

Упомянем простой факт: в связи с идеологией, развиваемой в стране, данное требование наверняка будут учитывать только владельцы частных домов. Однако не все так просто: в экономическом плане стоимость потерь, идущих на подогрев перекрытия, может оказаться ниже разницы в цене между различными толщинами. В связи с чем можно попытаться сэкономить в этом плане и не повредить общему делу. Так например, разница в цене между Пенофолом А-05 и А-10 для небольшой комнаты может составить пару тысяч рублей, что составляет многие кВтч энергии. Следовательно, нужно просчитать потери через слой утеплителя – а для этого имеются специальные компьютерные программы – и сравнить стоимость за весь период эксплуатации.

Очевидно: результат будет зависеть от материала покрытия пола (отношение его сопротивления передачи тепла к аналогичной характеристике Пенофола). И нужно сопоставить его с расчётным (по проекту дома) подогревом пола от атмосферы квартиры. Если цифры одного порядка, не слишком сильно отличаются друг от друга, а экономическая целесообразность применения более тонкого слоя утеплителя доказана, то будет разумным применить именно этот вариант при укладке нагревательного кабеля.

В случае с обогревом труб поверх теплоизоляция защищается жёсткой, обычно металлической, оболочкой. От перекрытия подвала обычно этот слой отделяется гидроизолирующим для исключения промокания. Попадание влаги в некоторые материалы блокирует их полезные свойства. Так случается с минеральной ватой. Кроме того теплоизоляционный слой должен выдерживать механические нагрузки. С этой целью возможна его прокладка под обрешётку или иным образом. Подходящим случаю является и подложка для ламината, сочетающая в себе хорошую стойкость к механическим нагрузкам и утеплительные свойства.

Что касается пожароопасности, то мощность кабеля обычно невысока, и высоких температур ожидать не стоит даже при поломке. Другое дело – короткое замыкание. На этот случай в распределительном щите нужно предусмотреть автомат защиты. Что касается выбора среди имеющихся разновидностей, то наиболее безопасным является саморегулирующийся кабель. Полимерная матрица с добавками графита при повышении температуры увеличивает своё сопротивление, что закономерно снижает нагрев. Например, на площадях под мебелью потребление электрического тока снижено. Все это не освобождает от необходимости приобрести и установить автомат защиты.

Иногда нагревательный кабель кладётся в толще стяжки. В частности, такие технологии применяются строителями для сушки бетона. Питающие концы затем обрезаются, а кабель так и остаётся в толще плиты. Нужно понимать, что ремонтопригодность системы в этом случае резко снижается, кроме того затруднительно обеспечить условия отсутствия влаги и оснастить конструкцию требуемой теплоизоляцией.