Нихром в изоляции. Конструкции и типы проводов, применение

Нихром в изоляции

Нагревательный кабель (провод) с токоведущей жилой (жилами) из нихрома и внешней изоляционной оболочкой широко востребован, как в промышленном, так и в потребительском секторе российского рынка. Гибкий изолированный нагреватель используется для создания систем обогрева различных технических устройств и агрегатов, строительных конструкций, а так же для поддержания стабильно высоких температур технологических сред и процессов. Применение специальных эластичных термо- и огнестойких материалов для изоляции нихромового проводника позволяет:

• более эффективно использовать физические и механические свойства нихрома;
• повысить технические и эксплуатационные характеристики кабеля;
• расширить сферу применения нагревателя.



Рисунок 1. Катушки с нихромом в изоляции.

Конструкция нагревательного кабеля

Конструктивно гибкий изолированный нагреватель состоит из двух обязательных элементов: центральной токоведущей жилы и термостойкой электроизоляционной оболочки. Толщина покрова оболочки зависит от сечения жилы и назначения кабеля. Сечение жилы регламентируется маркой провода. Подобная конструктивная схема характерна для большинства одножильных нагревательных проводов из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением.

Рисунок 2. Нихром в изоляции из стеклонити.

Материалы изоляции

К материалам оболочек для электрической и тепловой изоляции высокотемпературных нагревательных кабелей из нихрома предъявляются особые требования по следующим параметрам:

• нагревостойкость;
• линейная плотность;
• эластичность (стойкость к многократным изгибам);
• механическая прочность;
• способность сохранять стабильность форм без усадки при высоких температурах;
• сопротивление деформации при сжатии;
• стойкость к высоковольтному пробивному напряжению.

В качестве изоляционных материалов используют стеклянную нить, эмаль, поливинилхлорид (ПВХ).

Виды изоляции

Эмалевую оболочку производят на основе полимезированных масел из растительного сырья, поливинилацеталевых (винифлакс) и полиэфирных смол. Нанесение эмали на провод производится на эмалировочных станках. Изоляция ПВХ изготавливается из поливинилхлоридного пластиката. Нанесение полимерной изоляции на токоведущую нихромовую жилу осуществляется методом экструзии. При создании высоконагревостойкой изоляции нагревательных проводов, где нихром выступает в качестве токоведущей жилы, используют нити из неорганических стекловолокнистых материалов. Наиболее широко применяется стеклонить (одинарная и двойная), кварцевая нить (из кварцевых волокон) и кремнезёмная нить (кремнезём). Нити изоляции плотно и равномерно навиваются в один или несколько слоёв непосредственно на жилу с круглым (нихромовая проволока) или прямоугольным (нихромовая лента) сечением.

Рисунок 2. Нихром в изоляции из кремнеземной нити.

Сравнение нагревостойкости разных видов изоляции

Нагревостойкость изоляции является ключевым параметром нагревательного провода, поскольку от неё зависит способность провода эффективно и безопасно выполнять свои функции длительное время при высоких температурах нагрева токоведущей жилы. Нагревостойкость эмалевой изоляции (максимальная рабочая температура) составляет 220°С, для ПВХ это значение равняется 70°С. Стекловолоконная изоляция способна работать при температурах проводника до 1200°С, превосходя при этом по запасу прочности и эластичности другие изолирующие материалы, в связи с чем гибкий изолированный нагреватель с оболочкой из стеклянных нитей сегодня наиболее востребован в самых разных отраслях народного хозяйства.

Производство высоконагревостойкой стекловолоконной изоляции

Технологии производства стеклянной, кварцевой и кремнеземной нити очень схожи, поскольку все они изготавливаются на основе стеклянных волокон. Разница заключается в химическом составе стеклянных заготовок, а главное - в процентном содержании диоксида кремния SiO2 (кварца), который, как известно, является основным компонентом стекла.

Выработка стеклянного волокна осуществляется в электропечах из расплава алюмосиликатной или алюмоборосиликатной стекломассы или стеклогранул. Кварцевые волокна производят точно так же, как и стеклянные, путём расплава заготовок (стержней) из прозрачного кварцевого магнийалюмосиликатного стекла, содержащего не менее 99,5-99,9% SiO2, а кремнезёмное волокно получают из натрийалюмосиликатного стекла, обогащённого до 94-96% тугоплавкими оксидами кремния.

Расплавленная в электропечи стекломасса пропускается через прядильные фильеры (специальные металлические пластины с отверстиями), которые формуют тонкие элементарные нити, похожие на шёлковые. После их охлаждения, берётся пучок с определенным количеством элементарных нитей и плотно скручивается в готовую одиночную нить (стренгу) с заданным количеством правых или левых оборотов (обычно 100-150) на 1 метр длины. В зависимости от количества используемых в скрутке пучков, одиночные нити бывают одинарного и двойного плетения.

Улучшение технических характеристик стекловолоконной изоляции

На этапе соединения в готовую одиночную нить стеклянные волокна подвергаются поверхностной обработке замасливателями (пропитками). Замасливатели представляют собой жидкие технологические смеси, включающие в себя клеящие, пластифицирующие и смазывающие компоненты, которые в сухом состоянии защищают нити и изготовленные из них кабельные оболочки от расслоения, перетирания, препятствуют усадке, снижают влагопоглощение и т.п.

Сравнительный обзор видов стекловолоконной изоляции

Все стекловолокна обладают очень низкой диэлектрической проницаемостью, имеют высокий показатель прочности на растяжение, превышающий аналогичную характеристику стальной проволоки, высокую скорость нагрева и охлаждения. Между тем, несмотря на незначительную, на первый взгляд, разницу в химическом составе и содержании оксида кремния, физические характеристики стеклонитей и изолирующих оболочек нихромовых проводов имеют ряд заметных отличий в плане термостойкости.

Долговременная рабочая температура оболочки из кварцевых волокон (ТУ 5952-196-05786904-200) равна 1200°С, а температура кратковременной эксплуатации может достигать 2000°С. Интересно, что механическая прочность кварцевой нити по мере нагрева до 1200°С постепенно растёт, становясь на 50—60% прочнее, чем при комнатной температуре. В свою очередь усреднённая температура долговременного применения кремнезёмной оболочки (ТУ 5952-148-05786904-99) равна 1000°С, а оболочка из стеклонити марки ВМПС (двойная нить, ТУ 6-48-117-94) способна эффективно функционировать при температурах до 600°С.

Типы проводов

Высокотемпературные электронагревательные провода в любой изоляции можно условно разделить на два типа по форме сечения токоведущей жилы: круглые и ленточные. Для круглого провода используется нихромовая проволока диаметром от 0,1 до 2,0 мм. Для ленточного провода применяется нихромовая лента толщиной от 0,09 до 0,2 мм и шириной от 2 до 16 мм.

Характеристики нагревательных проводов из нихрома

Для производства гибких изолированных нагревателей в качестве токоведущей жилы применяется нихром Х20Н80 (ГОСТ 8803-89 и ТУ14-1-3224-81), Х20Н80-Н (ГОСТ 12766.1-90), Х15Н60 (ГОСТ 8803-89 и ТУ12766.1-90), Х15Н60-Н (ГОСТ 12766.1-90). Нихром данных марок характеризуется чрезвычайной жаропрочностью и стабильностью механических свойств, как при низких, так и при высоких температурах до 950-1380°С, в том числе при частом нагреве и остывании. Сплав пластичен, не магнитится и не корродирует.

Покрытие нихрома стекловолоконной изоляционной оболочкой позволяет получить уникальный продукт с важными дополнительными характеристиками. Поскольку стекло не проводит электрический ток, изоляция из стекловолокна надёжно изолирует нихром от пробоя на корпус обогреваемого объекта (пробивное напряжение изоляции не менее 1250 В) и защищает проводник от локального перегрева. Греющий нихромовый провод в оболочке отличает высокая гибкость и устойчивость к многократным перегибам, что позволяет наматывать его вокруг объектов сложной формы.

Круглый кабель может навиваться на объект витками с минимальным радиусом изгиба от 10 диаметров самого кабеля, а ленточный - витками радиусом от 20 толщин кабеля. Благодаря исключительной эластичности стекловолоконной изоляции и пластичности нихрома, провод можно многократно перемонтировать. При хранении и транспортировке его легко свернуть в компактные бухты, так что в отличие от жёстких проводов, он может иметь большую строительную длину.

Области применения нихромовых проводов в стекловолоконной оболочке

Высокотемпературный кабель в изоляции из стеклянного волокна используют в качестве фиксированного нагревателя цилиндров и фильерных пластин (головок экструдера) для формовки полимеров, для поддержания температуры вязких рабочих сред в трубопроводах и ёмкостях, для обогрева строительных конструкций. Также гибкий изолированный нагреватель применяется для нагрева лабораторных и промышленных сушильных установок, стерилизаторов, и многих других технических устройств теплового воздействия.