Use of Amorphous Alloy Tape as a Heating Element in Heating and De-Icing Systems for Arctic Territories

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 

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:

1. Длина ленты/кабеля = 1 метр.

2. Толщина ленты = 20 μм.

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

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

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

6. Условия охлаждения – естественная конвекция.

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

Итоги, полученные из вышеуказанной таблицы:

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

2. 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.

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).

Заключения: 

1. Аморфная металлическая лента может быть использована как низкотемпературный нагревательный элемент.

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

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

4. 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.

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

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

7. 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.