Нагреватели в системах приточной вентиляции на базе P.T.C. термисторов

Если мы захотим приобрести бытовой тепловентилятор для обогрева дома или дачи, то продавец магазина прежде всего предложит нам изделие с керамическим нагревателем, как недорогое, компактное и надежное. В настоящее время ассортимент продукции (см. статью в "МИР КЛИМАТА" N32, стр. 56­57) бытовых тепловентиляторов на 80–90% представлен товарами на основе P.T.C. (Positive Temperature Coefficient) керамики.

В последнее время на отечественном рынке стало появляться все больше канальных приточных вентиляционных установок (как правило, производства Германии или СНГ), оснащенных нагревателями на P.T.C. термисторах. При этом нередко заявляется, что температура выходящего воздуха в них саморегулируется и поддерживается постоянной благодаря свойствам самого нагревательного элемента. Давайте попробуем разобраться, так ли это на самом деле, и одновременно попытаемся сравнить характеристики таких нагревателей с характеристиками и принципами регулирования традиционных ТЭНовых калориферов.

Нагревательными элементами в P.T.C. керамических обогревателях служат P.T.C. термисторы — полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом, электрическое сопротивление которых, а следовательно и мощность зависит от температуры их поверхности. То есть, чем выше температура P.T.C. термистора, тем меньше потребляемая мощность. Данная обратная связь не допускает нагрева элементов свыше точки их переключения (как правило 250°С) (см. График.1), обеспечивая этим полную пожарную безопасность, а также препятствует возникновению каких–либо окислительных процессов (сжигание кислорода, образование СО, выделение специфических запахов горения частиц пыли), которые нередко присутствуют на поверхности высокотемпературных ТЭНов.

 

Процесс регулирования температуры происходит лишь на поверхности P.T.C. термистора и стремится к точке переключения термистора (в данном случае 250°С). Температура же воздуха в канале после нагревателя не отслеживается самим нагревателем и зависит от многих факторов (входная температура воздуха, скорость воздушного потока, мощность термистора). Тем не менее, процесса саморегулирования температуры P.T.C. термистора вполне достаточно для создания систем воздушного отопления, где степень нагрева регулируется термостатом воздуха помещения.

В вентиляционных приточных установках, где важна именно температура воздуха в канале после нагревателя, необходимо устанавливать систему автоматического дорегулирования, обеспечивающую обратную связь между температурой воздуха в канале и температурой термистора.

 

 

Мы уже выяснили, что электрическое сопротивление P.T.C. термистора зависит от температуры его поверхности, а максимальный ток достигается только при низких входных температурах и высоких скоростях воздушного потока (см. График 2).

Это свойство P.T.C. термисторов в некоторой степени облегчает работу силовых узлов систем регулирования и разгружает электрическую сеть по пиковой потребляемой мощности, если в данный момент вентиляционное устройство не работает в предельных эксплуатационных режимах. Этот процесс наглядно иллюстрирует сравнительный график потребляемой электрической мощности (см. График 3) при различных температурах проходящего через нагреватели воздуха. Для проведения измерений использовались:

  • электрокалорифер на ТЭНах мощностью 3 кВт;
  • P.T.C. нагреватель с пусковым током 14 А (3 кВт);
  • одноканальный электронный термостат с заданной температурой в канале 20°С.

Как видно из графика, потребляемый ток электрокалорифера на ТЭНах одинаков при любой температуре нагреваемого воздуха и равен своему максимальному значению, либо нулю. Для того чтобы снизить пиковую потребляемую мощность и сократить интервалы между включением — выключением используют многоступенчатые системы регулирования, которые постепенно подключают все большее число ТЭНов в калорифере (до 8 ступеней) по мере снижения температуры проходящего через них воздуха.

Стоимость подобных устройств высока и не может конкурировать со стоимостью систем автоматики для P.T.C. термисторов, в которых используется не более трех ступеней.

 

 

Другим и, возможно, самым главным преимуществом P.T.C. нагревателей перед ТЭНами является срок непрерывной работы этих нагревателей, который составляет не менее 20000 часов без изменений электронных характеристик (точка переключения, сопротивление).

Если незначительный уход точки переключения от расчетного не играет большой роли в конкретной климатической системе, то ресурс работы может быть увеличен до 30000 — 40000 часов. При этом количество включений и выключений никак не влияет на срок службы P.T.C. термистора.

В ТЭНах же необратимые изменения (образование нагара на поверхности нихромовой спирали, а вследствие этого — неравномерный нагрев поверхности) могут возникнуть уже после 2000–3000 часов непрерывной работы, а регулирование выходной температуры воздуха посредством постоянного включения–отключения (термостаты, пропорционально­интегральные (PI) регуляторы) намного сокращает это время.

Проводя аналогию работы ТЭНа с лампами накаливания, в которых перегорание спирали происходит как правило в момент включения, для повышения срока службы ТЭНов в калориферах иногда используют фазовые (плавные) регуляторы мощности. Однако возникает проблема подавления радиочастотных помех, создаваемых этими регуляторами.

Способы регулирования мощности P.T.C. нагревателей в принципе не отличаются от способов регулирования мощности ТЭНов: те же PI регуляторы и термостаты. Учитывается лишь низкая инерционность термисторов в моменты нагрева и охлаждения.

В случае применения PI регуляторов, желательно ввести в характеристики регулирования дифференциальную составляющую, компенсирующую разницу в скорости нагрева–охлаждения при понижении входной температуры воздуха и увеличении воздушного потока. Использование же фазовых контроллеров температуры полностью исключает саморегулирование Р.Т.С. термисторов, т.к. весь процесс регулирования мощности происходит ниже точки переключения (см. график №1). В этом случае целесообразнее применять как нагреватель более дешевую резистивную керамику или ТЭНы. Для получения наибольшего КПД, Р.Т.С. подключают преимущественно параллельно, как по напряжению, так и по воздушному потоку.

Использование регуляторов мощности, принцип работы которых основан на включении–выключении нагрузки накладывает жесткие ограничения на конструкцию применяемых P.T.C., и те нагреватели, которые используются в тепловентиляторах могут оказаться малопригодными или совсем непригодными в системах приточной вентиляции. Дело в том, что разница температурного коэффициента линейного расширения алюминиевой площадки радиатора и самого керамического элемента создает в конструкции "паразитную" движущую силу и может со временем "выдавить" полупроводник из радиаторной решетки.

Для борьбы с этим негативным явлением существует несколько эффективных взаимодополняющих способов:

  1. P.T.C. термисторы, расположенные в одном зазоре радиаторной решетки, жестко "заневоливают", устраняя зазоры между ними;
  2. "Заневоленные" первым способом P.T.C. термисторы по всей длине открытой части заливают высокотемпературным эластичным компаундом;
  3. Вместо S–образной решетки радиатора, используют Z–образную, отформованную решетку, препятствующую возникновению зазоров и неплотностей в процессе длительной эксплуатации;
  4. Снижают точку переключения P.T.C. термисторов и их пусковые токи в процессе изготовления, чтобы сделать процесс регулирования более плавным и сократить интервалы между включением — выключением.

Нежелательно прямое попадание воды на поверхность P.T.C. термистора (капли воды, изредка попадающие на поверхность нагревателя, в принципе неопасны, они мгновенно испаряются. Опасна растворенная в них соль, которая со временем, накапливаясь на решетке нагревателя, приводит к короткому замыканию). Поэтому путем установки предварительного фильтра класса не ниже ЕU–3 следует исключить попадание на нагреватель капель воды и частиц пыли.

Статья подготовлена производственной компанией "Лаборатория Климата"

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест