Нагревательные кабели: конструкция и применение

К. Амбарцумянц, к.т.н.

Нагревательные кабели (НК) все чаще используются при строительстве и реконструкции жилых и общественных зданий (и комплексов) в системах «теплого пола», антиобледенения и снеготаяния. В связи с различными сферами их применения важно правильно подобрать кабель соответствующей конструкции и мощности

Нагревательные кабели – особый вид изделий, преобразующих электрическую энергию в тепловую и выполняющих функцию приемника электрической энергии. Они значительно отличаются от обычных изделий, назначение которых передавать электрическую энергию с наименьшими потерями и с незначительным падением напряжения.

НК используется в виде нагревательных секций, т.е. отрезков определенной длины, причем на этой длине происходит полное падение приложенного напряжения. Следовательно, секцию следует рассматривать как один из видов электрических нагревательных элементов. Длина секций колеблется от нескольких метров до нескольких сотен метров.

Отрицательный для обычных кабелей эффект рассеяния части передаваемой энергии в виде тепла используется как полезный в НК. Они имеют широкую номенклатуру и применяются в самых разнообразных устройствах и областях техники.

Наиболее часто применяют т.н. «резистивные» НК. Тепло выделяется при прохождении электрического тока по нагревательной жиле за счет эффекта Джоуля Ленца. Кабели данного типа могут иметь одну, две или несколько жил, имеющих линейную или спиральную форму.

Тепловая мощность резистивных линейных кабелей при нагреве незначительно уменьшается, причем величина изменения зависит от величины температурного коэффициента сопротивления материала нагревательной жилы. Наименьшие изменения сопротивления наблюдаются у сплавов высокого сопротивления типа нихрома и фехраля, наибольшие – у меди.

Использование резистивного НК в качестве греющего элемента получило широкое распространение в развитых странах уже в 90-е годы минувшего века. В Украине же еще 6 лет назад электрический «теплый пол» в ванной был большой редкостью. Такая технология отопления помещений получает все большее распространение, поскольку допускается к применению в многоэтажном строительстве и в сравнении с водяными «теплыми полами» – проста и надежна. В то же время для ее работы требуется высокая мощность подводящих электрических сетей, и особые требования предъявляются к главному элементу таких систем – нагревающему кабелю.

Основные требования

Греющим элементом НК, как и любого электрообогревателя, является токопроводящая жила. В зависимости от требуемой мощности, ее сопротивление определяется исходя из формулы Ома:

I=U/R (1)

Путем подстановки – P=U×I (2),
получим окончательный вид: R=U²/P (3)

Длина проводника (м) с удельным сопротивлением ρ может быть определена по формуле: l=R×S/ρ, (4) где: ρ – удельное сопротивление, Ом∙м; S – сечение проводника, м²; R – электрическое сопротивление проводника, Ом.

Из формулы (4) следует, что при прочих равных условиях, а именно заданной мощности P, которая определяется общим сопротивлением постоянному току R и сечении проводника S, его длина обратно пропорциональна удельному сопротивлению ρ.

Используя приведенную зависимость, можно рассчитать нагревательные элементы любой длины и мощности. Главной задачей становится способность материала, окружающего нагревательный элемент, отбирать это количество тепловой энергии.

Основное преимущество резистивного кабеля – его гибкость, является и главным ограничением. Материал оболочки не может иметь такой высокой теплопроводности, как у металлической оболочки электрического ТЭНа, и обычно не превышает 30 Вт/м.

Действующий на сегодня ДБН В.2.5-24-2012 «Электрическая кабельная система отопления» жестко ограничивает максимальную удельную (погонную) мощность нагревательного кабеля, проложенного на деревянных лагах и воздушном промежутке деревянного пола значением 10 Вт/м. Для нагревательного кабеля, который полностью покрыт цементно-песчаным раствором, максимальная погонная мощность регламентирована на уровне не более 25 Вт/м.

Величина удельной поверхностной мощности зависит от его размеров. Так, например, если кабель диаметром 4,0 мм при удельной погонной мощности 10 Вт/м характеризуется показателем 0,080 Вт/см²; то ø6,5 мм при удельной погонной мощности 16,5 Вт/м – 0,081 Вт/см². Плоский кабель размером 6х10 мм и удельной мощностью 23 Вт/м имеет величину удельной поверхностной мощности 0,083 Вт/см². Как видно из приведенных значений, отличие составляет менее ±2% от среднего значения, что гарантирует абсолютно идентичные тепловые режимы на поверхности оболочки этих изделий.

Кроме тепловой мощности, нагревательный кабель, и особенно его оболочка, должны обладать высокой механической прочностью, ведь монтаж в стяжку проводится в «жестких» условиях:

• специальная металлическая лента, используемая при монтаже, не должна повредить оболочку;
• плиточный клей наносится при помощи металлического шпателя (это необходимо для обеспечения равномерного теплосъема с поверхности кабеля), который также не должен повредить оболочку;
• хождение электромонтажников и плиточников по кабелю, случайное падение инструмента на кабель, не должны сказаться на его эксплуатационных характеристиках.

Все это выдвигает повышенные требования к механической прочности нагревательного кабеля, а именно – способности в течение 30 секунд без пробоя изоляции сопротивляться: раздавливанию металлической пластиной 100×100×10 мм, с грузом 600 Н; растягиванию с усилием 120 Н; однократной ударной нагрузке 2 Дж при температуре минус 5°С (что равноценно падению стального предмета массой 500 г с высоты 0,4 м).

Требования к резистивным кабелям, которые предназначены для изготовления греющих поверхностей пола, стен и других поверхностей абсолютно другие, чем те, которые предъявляются к изделиям для систем антиобледенения зданий, снеготаяния или обогрева почвы.

В каждом из указанных случаев, свойства кабеля должны быть разными. Это заставляет производителей наращивать номенклатуру, что ложится на них финансовым бременем, либо изготавливать универсальный кабель на все случаи жизни, что ложится бременем на потребителя.

Задача производителя сводится к созданию гибкой, механически прочной конструкции размерами, которые определяются желаемой удельной погонной мощностью. В Украине представлены нагревательные системы как иностранного – DEVI, Nexans, – так и отечественного производства. Их конструкция различается в зависимости от особенностей применения.

Например, «теплый пол» и системы антиобледенения, выпускаемые под торговой маркой Woks (ПАО «Одескабель»), предназначены для эксплуатации в местах постоянного пребывания людей, поэтому имеют две токоведущие жилы и экран. Изделие для систем антиобледенения промышленных зданий, систем снеготаяния и обогрева почвы имеет одножильную конструкцию с усиленным сталемедным экраном.

Бытовое применение

Кабель для бытового теплого пола - Woks- 17 (удельной мощностью 16,5 Вт/м) имеет два слоя изоляции (рис. 1) и алюминиевый экран.

Рис. 1. Конструкция НК для теплого пола:
1 – жила заземления (стекания); 2 – нагревательная жила; 3 – первый слой изоляции; 4 – второй слой изоляции; 5 – экран алюминиевый; 6 – оболочка

Кабель мощностью 10 Вт/м имеет более толстый слой первой изоляции, и не имеет второго слоя. За счет этого, наружный диаметр получается меньше – 4,1 мм против 6,5 мм. Применение сплошного защитного алюминиевого экрана внутри нагревательного кабеля для «теплого пола» оправдано, поскольку в процессе эксплуатации исключена возможность изменения геометрии укладки.

Использование второй греющей жилы вместо замыкающего цепь медного проводника позволяет:

• снизить тепловую нагрузку нагревательного элемента вдвое при прочих одинаковых условиях;
• снизить стоимость, применив менее дорогой материал изоляции, без ущерба для долговечности конструкции;
• получить равномерное распределение температурного поля на поверхности (рис. 2), по сравнению с двужильным кабелем с одной греющей жилой (рис. 3).

Рис. 2. Двужильный кабель с двумя греющими жилами

Рис. 3. Двужильный кабель с одной греющей жилой

Алюминиевый экран плотно прилегает к изоляции нагревательных жил и жиле заземления (рис. 4). Такая конструкция гарантирует максимальную теплопередачу от греющих жил к поверхности кабеля, что особенно важно для тонкого нагревательного кабеля, и при минимальных размерах обеспечивает полное экранирование электромагнитного поля в сочетании с высокой механической прочностью.

Рис. 4. Изделие для электрического «теплого пола»

Для систем антиобледенения можно использовать двужильный нагревательный кабель Woks-23 (рис. 5) удельной мощностью 23 Вт/м.

Рис. 5. Изделие для систем антиобледенения

Применение алюминиевого экрана в таких кабелях нежелательно, поскольку при эксплуатации существует необходимость перемещать его части – приподнимать, сдвигать и т.д. Такие работы проводятся перед началом отопительного сезона для уборки пыли и листьев, которые под ним скопились.

В свою очередь, в этом случае оправдано применение сплошной медной оплетки, выполняющей функцию экрана (рис. 6) и жилы заземления.

Рис. 6. Конструкция НК для систем антиобледенения:
1 – нагревательная жила; 2 – первый слой изоляции; 3 – второй слой изоляции; 4 – экран – медная оплетка; 5 – оболочка стойкая к ультрафиолетовым лучам

Промышленные системы

Как уже говорилось выше, особенность двужильного нагревательного кабеля состоит в минимально создаваемом электромагнитном поле, что является основным критерием применяемости в местах постоянного пребывания людей.

В тех случаях, когда резистивный кабель эксплуатируется в системах антиобледенения крыш промышленных предприятий, снеготаяния подъездных путей, а также в системах теплоаккумуляционного обогрева госучреждений, детских школьных и дошкольных заведений, т.е. в тех случаях, когда во время его работы в непосредственной близости нет людей, применяется одножильный нагревательный кабель. Его преимущество в симметричном температурном поле на поверхности оболочки и невысокая стоимость.

Дополнительным фактором являются жесткие условия эксплуатации систем антиобледенения: летом температура на поверхности крыш может достигать +80 °С, а зимой опускаться до -50 °С. Системы снеготаяния могут быть уложены под асфальт, температура укладки которого достигает 165 °С, а асфальтоукладчики создают огромное усилие прессования еще не застывшего дорожного покрытия.

Для эксплуатации при низких температурах окружающей среды в составе систем снеготаяния и антиобледенения предназначен, например, одножильный усиленный Woks-Arm, мощностью 30 Вт/м (рис. 7). Материал оболочки этого кабеля предназначен для работы при температуре 125⁰С, выдерживает воздействие 150 °С в течение 240 часов и 165 °С в течение 180 минут без потери механических и диэлектрических свойств. Сталемедная оплетка 4 (рис. 8) выполняет функцию «легкой брони», не позволяя разорваться кабелю под собственным весом, что делает его самонесущим в системах антиобледенения. Она предотвращает разрывы изделия, уложенного прямо в асфальт, поскольку при его укладке создаются высокие усилия сдвига. Кабель без брони, независимо от термической стойкости его оболочки, сразу в асфальт класть нельзя. Кроме всего сказанного, такая оплетка выполняет функции жилы заземления и экрана электромагнитного поля.

Рис. 7. Одножильный НК для систем антиобледенения и обогрева почвы

Рис. 8. Конструкция одножильного НК:
1 – нагревательная жила; 2 – первичный слой изоляции; 3 – вторичный слой изоляции; 4 – усиленная сталемедная оплетка; 5 – термостойкая оболочка, стойкая к УФ

Одножильная конструкция применяется и для обогрева почвы, где рекомендуется использовать НК с оболочкой из полиэтилена. Данный материал имеет невысокую максимальную температуру эксплуатации – всего 90°С, но этого достаточно для обогрева почвы. Работая в мокрой среде, полиэтилен не поглощает влагу как ПВХ. Любая оболочка, кроме силикона и полиэтилена, поглощает влагу из почвы и сопротивление изоляции со временем падает, что вызывает срабатывание устройства защитного отключения (УЗО). Кроме того, оболочка должна эффективно противостоять постоянному воздействию всевозможных органических веществ – в основном кислот и щелочей, входящих в состав удобрений.

Рекомендованная удельная мощность НК для систем отопления почвы составляет 18 Вт/м, что не вызывает ее пересушку.

Выводы

Существует 8 факторов, которые оказывают решающее влияние на конструкцию:

1. Необходимость перемещения НК в процессе эксплуатации;
2. Условия укладки;
3. Влажность;
4. Кислотность окружающей среды;
5. Температура;
6. Воздействие УФ-лучей;
7. Время нахождения людей вблизи включенного;
8. Величина механических нагрузок при укладке и в процессе эксплуатации.

Основной вывод, который можно сделать – изготовить универсальный нагревательный кабель невозможно. Можно лишь постараться воплотить в каждой отдельной конструкции максимальное количество технических характеристик, которые не исключают друг друга.

У всех производителей есть отличия в номенклатуре сопротивлений, характеристиках применяемых изоляционных материалов, количестве и материале греющих жил, исполнении экрана. Каждая из этих конструкций создавалась для решения определенного круга задач, и хорошо с ними справляется.

Проблемы возникают при попытках использовать нагревательный кабель не по назначению.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 11 314