Электрические нагревательные элементы.Виды и устройство. Самодельный обогреватель Свойства фехралевых спиралей

элек­тропечей сопротивления

Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, пред­определяют работоспособность установки в целом.

К этим материалам предъявляются следующие требо­вания:

1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость).

2. Достаточная жаропрочность - механическая проч­ность при высоких температурах, необходимая для того, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя.

3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Се­чение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагре­ватель не всегда возможно разместить в печи. Таким об­разом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электриче­ского сопротивления.

4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холод­ном состояниях, была одинаковой или отличалась незначи­тельно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии прихо­дится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

5. Постоянство электрических свойств. Некоторые ма­териалы, например карборунд, с течением времени ста­реют, т. е. увеличивают электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансфор­маторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

6. Обрабатываемость. Металлические материалы долж­ны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из послед­них - сложные по конфигурации нагревательные эле­менты. Неметаллические нагреватели прессуются или фор­муются, с тем чтобы нагреватель представлял собой гото­вое изделие.

Основными материалами для нагревательных элемен­тов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия.

Это, в первую очередь, - хромоникелевые, а также железохромоалюминиевые сплавы. Свойства и характеристики этих сплавов представлены в .

Двойные сплавы состоят из никеля и хрома (хромони­келевые сплавы), тройные - из никеля, хрома и железа (железохромоникелевые сплавы). Тройные сплавы - даль­нейшее развитие хромоникелевых сталей, так как Х23Н18, Х15Н60-Н применяются примерно до 1000°С.

Двойные сплавы - это, например, Х20Н80-Н. Они об­разуют на поверхности защитную пленку из окиси хрома. Температура плавления этой пленки выше, чем самого сплава; пленка не растрескивается при нагреве и охлаж­дении. Эти сплавы имеют хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах, они крипоустойчивы, пластичны, хорошо обрабатываются, сва­риваются.

Хромоникелевые сплавы имеют удовлетворительные электротехнические свойства, не стареют, немагнитны. Основной их недостаток - высокая стоимость и дефицит­ность, в первую очередь никеля. Поэтому были созданы железохромоалюминиевые сплавы, содержащие железо, хром и до 5 % алюминия. Эти сплавы могут быть более жаростойкими, чем хромоникелевые, т. е. могут работать до 1400°С (например, сплав Х23Ю5Т). Однако эти сплавы достаточно хрупки и непрочны, особенно после пребыва­ния при температуре, большей 1000°С. Поэтому после работы нагревателя в печи его нельзя вынуть и отремон­тировать. Данные сплавы магнитны, могут ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре. Они имеют низкое сопротивление ползучести, что должно быть учтено при конструировании из них нагревателей. Недо­статком этих сплавов является также их взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа. В местах со­прикосновения этих сплавов с футеровкой при температуре эксплуатации выше 1000°С футеровка должна быть вы­полнена из высокоглиноземистого кирпича или покрыта" специальной высокоглиноземистой обмазкой. Во время эксплуатации эти нагреватели существенно удлиняются, что также должно быть учтено при конструировании, т. е. необходимо предусматривать возможность их удлинения.

Представителями этих сплавов являются Х15Ю5 (тем­пература применения - около 800°С); Х23Ю5 (1200°С); Х27Ю5Т (1300°С) и Х23Ю5Т (1400°С).

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т. е. с добавлением 3 % алюминия, что зна­чительно улучшило жаростойкость сплава, а наличие ни­келя практически исключило имеющиеся у железохромо-алюминиевых сплавов недостатки.

Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обраба­тываются, механически прочны, нехрупки.

В высокотемпературных печах используются неметаллические нагреватели: карборундовые и из дисилицида молибдена.

Для печей с защитной атмосферой и вакуумных ис­пользуются угольные и графитовые нагреватели. Нагрева­тели в этом случае выполняются в виде стержней, труб и пластин.

В высокотемпературных вакуумных печах и печах с за­щитной атмосферой применяются нагреватели из молиб­дена и вольфрама. Нагреватели из молибдена в вакууме могут работать до 1700°С, а в защитной атмосфере – до 2200°С. Температура применения в вакууме ниже, что объясняется испарением молибдена. Нагреватели из вольф­рама могут работать до 3000°С.

В отдельных случаях применяются нагреватели из ниобия и тантала.

Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки (рис. 3.4 – 3.7). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям.

Электрические нагревательные элементы применяются в бытовой и промышленной технике. Применение различных нагревателей известно всем. Это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций.

Электрические водонагреватели, чаще именуемые , тоже содержат нагревательные элементы. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением. И чаще всего эта проволока изготовлена из нихрома.

Открытая нихромовая спираль

Самым старым нагревательным элементом является, пожалуй, обычная нихромовая спираль. Когда-то давно, в ходу были самодельные электрические плитки, кипятильники для воды и обогреватели типа «козёл». Имея под рукой нихромовый провод, которым можно было «разжиться» на производстве, изготовить спираль требуемой мощности не представляло никаких проблем.

Конец провода нужной длины вставляется в пропил воротка, сам провод пропускается между двумя деревянными брусками. Тиски нужно зажать так, чтобы вся конструкция держалась, как показано на рисунке. Усилие зажима должно быть таким, чтобы провод проходил сквозь бруски с некоторым усилием. Если усилие зажима будет велико, то провод попросту оборвется.

Рисунок 1. Навивка нихромовой спирали

Вращением воротка проволока протаскивается сквозь деревянные бруски, и аккуратно, виток к витку, укладывается на металлический стержень. В арсенале электриков был целый набор воротков различного диаметра от 1,5 до 10 мм, что позволяло навивать спирали на все случаи жизни.

Известно было, какого диаметра провод и какая длина требуется для намотки спирали нужной мощности. Эти магические числа до сих пор можно найти в сети интернет. На рисунке 2 показана таблица, где приведены данные о спиралях различной мощности при напряжении питания 220В.

Рисунок 2. Расчет электрической спирали нагревательного элемента (для увеличения нажмите на рисунок)

Здесь все просто и понятно. Задавшись требуемой мощностью и диаметром нихромового провода, имеющимся под рукой, остается только отрезать кусок нужной длины и навить его на оправку соответствующего диаметра. При этом в таблице указана длина получившейся спирали. А что делать, если имеется провод с диаметром не указанным в таблице? В этом случае спираль придется просто рассчитать.

При необходимости рассчитать спираль достаточно просто. В качестве примера приведен расчет спирали из нихромовой проволоки диаметром 0,45мм (такого диаметра в таблице нет) мощностью 600Вт на напряжение 220В. Все расчеты выполняются по закону Ома .

О том, как перевести амперы в ватты и, наоборот, ватты в амперы:

I = P/U = 600/220 = 2,72 A

Для этого достаточно заданную мощность поделить на напряжение и получить величину тока, проходящего через спираль. Мощность в ваттах, напряжение в вольтах, результат в амперах. Все согласно системе СИ.

Формула для подсчета сопротивления проводника R=ρ*L/S,

где ρ - удельное сопротивление проводника (для нихрома 1.0÷1.2 Ом.мм2/м), L - длина проводника в метрах, S - сечение проводника в квадратных миллиметрах. Для проводника диаметром 0,45 мм сечение составит 0,159 мм2.

Отсюда L = S * R / ρ = 0.159 * 81 / 1.1 = 1170 мм, или 11,7 м.

В общем, получается не столь уж сложный расчет. Да собственно и изготовление спирали не так уж и сложно, что, несомненно, является достоинством обычных нихромовых спиралей. Но это достоинство перекрывается множеством недостатков, присущих открытым спиралям.

Прежде всего, это достаточно высокая температура нагрева - 700…800˚C. Нагретая спираль имеет слабое красное свечение, случайное прикосновение к ней может причинить ожог. Кроме того возможно поражение электрическим током. Раскаленная спираль выжигает кислород воздуха, привлекает к себе пылинки, которые выгорая, дают весьма неприятный аромат.

Но главным недостатком открытых спиралей следует считать их высокую пожароопасность. Поэтому пожарная охрана попросту запрещает применение обогревателей с открытой спиралью. К таким обогревателям, прежде всего, относится, так называемый «козел», конструкция которого показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Самодельный обогреватель «козел»

Вот такой вот получился дикий «козел»: сделан он нарочито небрежно, просто, даже очень плохо. Пожара с таким обогревателем ждать придется недолго. Более совершенная конструкция подобного отопительного прибора показана на рисунке 4.

Рисунок 4. «Козел» домашний

Нетрудно видеть, что спираль закрыта металлическим кожухом, именно это предотвращает прикосновение к разогретым токоведущим частям. Пожароопасность такого устройства намного меньше, чем показанного на предыдущем рисунке.

Когда-то давно в СССР выпускались обогреватели-рефлекторы. В центре никелированного отражателя имелся керамический патрон, в который наподобие лампочки с цоколем E27, вворачивался нагреватель мощностью 500Вт. Пожароопасность такого рефлектора тоже очень высока. Ну, вот как-то не задумывались в те времена, к чему может привести использование таких обогревателей.

Рисунок 5. Обогреватель рефлекторного типа

Совершенно очевидно, что различные обогреватели с открытой спиралью можно, вопреки требованиям пожарной инспекции, использовать лишь под неусыпным присмотром: ушел из помещения - выключи обогреватель! Еще лучше просто отказаться от использования обогревателей подобного типа.

Нагревательные элементы с закрытой спиралью

Чтобы избавиться от открытой спирали, были изобретены Трубчатые Электрические Нагреватели - ТЭНы. Конструкция ТЭНа показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Конструкция ТЭНа

Нихромовая спираль 1 спрятана внутри тонкостенной металлической трубки 2. Спираль изолирована от трубки наполнителем 3 с высокой теплопроводностью и высоким электрическим сопротивлением. В качестве наполнителя чаще всего применяется периклаз (кристаллическая смесь окиси магния MgO, иногда с примесями других окислов).

После заполнения изолирующим составом трубку опрессовывают, и под большим давлением периклаз превращается в монолит. После такой операции спираль жестко фиксируется, поэтому электрический контакт с корпусом - трубкой исключен полностью. Конструкция получается настолько прочной, что любой ТЭН можно изгибать, если того требует конструкция отопительного прибора. Некоторые ТЭНы имеют весьма причудливую форму.

Спираль соединяется с металлическими выводами 4, которые выходят наружу через изоляторы 5. Подводящие провода присоединяются к резьбовым концам выводов 4 с помощью гаек и шайб 7. Крепление ТЭНов в корпусе устройства осуществляется при помощи гаек и шайб 6, обеспечивающих, при необходимости, герметичность соединения.

При соблюдении условий эксплуатации подобная конструкция достаточно надежна и долговечна. Именно это и привело к весьма широкому применению ТЭНов в устройствах различного назначения и конструкции.

По условиям эксплуатации ТЭНы делятся на две большие группы: воздушные и водяные. Но это просто такое название. На самом деле воздушные ТЭНы предназначены для работы в различных газовых средах. Даже обычный атмосферный воздух является смесью нескольких газов: кислорода, азота, углекислого газа, имеются даже примеси аргона, неона, криптона и т.д.

Воздушная среда бывает самой разнообразной. Это может быть спокойный атмосферный воздух или поток воздуха, движущийся со скоростью до нескольких метров в секунду, как в тепловентиляторах или тепловых пушках.

Разогрев оболочки ТЭНа может достигать 450 ˚C и даже более. Поэтому для изготовления внешней трубчатой оболочки применяются различные материалы. Это может быть обычная углеродистая сталь, нержавеющая сталь или жаропрочная, жаростойкая сталь. Все зависит от окружающей среды.

Для улучшения теплоотдачи некоторые ТЭНы снабжаются ребрами на трубках в виде навитой металлической ленты. Такие нагреватели называются оребренными. Применение таких элементов наиболее целесообразно в движущейся воздушной среде, например, в тепловентиляторах и тепловых пушках.

Водяные ТЭНы также применяются не обязательно в воде, это общее название различных жидкостных сред. Это может быть масло, мазут и даже различные агрессивные жидкости. Жидкостные ТЭНы , дистилляторах, электрических опреснителях морской воды и просто в титанах для кипячения питьевой воды.

Теплопроводность и теплоемкость воды намного выше, нежели у воздуха и других газовых сред, что обеспечивает, по сравнению с воздушной средой, лучший, более быстрый, отвод тепла от ТЭНа. Поэтому при одинаковой электрической мощности водяной нагреватель имеет меньшие геометрические размеры.

Тут можно привести простой пример: при выкипании воды в обычном электрическом чайнике ТЭН может разогреться докрасна, после чего прогореть до дыр. Такую же картину можно наблюдать и с обычными кипятильниками, предназначенными для кипячения воды в стакане или в ведре.

Приведенный пример наглядно говорит о том, что водяные ТЭНы ни в коем случае нельзя применять для работы в воздушной среде. Воздушные ТЭНы для нагрева воды использовать можно, вот только придется долго ждать, пока вода закипит.

Не на пользу водяным ТЭНам пойдет и слой накипи, образующийся в процессе работы. Накипь, как правило, имеет пористую структуру, и ее теплопроводность невелика. Поэтому тепло, выделяемое спиралью, в жидкость уходит плохо, зато сама спираль внутри нагревателя разогревается до весьма высокой температуры, что рано или поздно приведет к ее перегоранию.

Чтобы такого не произошло, желательно периодически очищать ТЭНы с помощью различных химических средств. Например, в телевизионной рекламе для защиты нагревателей стиральных машин рекомендуется средство «Calgon». Хотя по поводу этого средства существует множество самых различных мнений.

Как избавиться от накипи

Кроме химических средств для защиты от накипи используются различные устройства. Прежде всего, это магнитные преобразователи воды. В мощном магнитном поле кристаллы «жестких» солей меняют свою структуру, превращаются в хлопья, становятся мельче. Из таких хлопьев накипь образуется менее активно, большая часть хлопьев просто вымывается потоком воды. Этим и достигается защита нагревателей и трубопроводов от накипи. Магнитные фильтры-преобразователи выпускаются многими зарубежными фирмами, такие фирмы существуют и в России. Подобные фильтры выпускаются как врезного, так и накладного типа.

Электронные умягчители воды

В последнее время все более популярными становятся электронные умягчители воды. Внешне все выглядит очень просто. На трубу устанавливается небольшая коробочка, из которой выходят провода-антенны. Провода накручиваются вокруг трубы, при этом даже не надо счищать краску. Установить прибор можно в любом доступном месте, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Электронный умягчитель воды

Единственное, что потребуется для подключения прибора, это розетка на 220В. Прибор рассчитан на долговременное включение, его не надо периодически отключать, поскольку выключение приведет к тому, что вода снова станет жесткой, опять будет образовываться накипь.

Принцип работы прибора сводится к излучению колебаний в диапазоне ультразвуковых частот, которые могут достигать до 50КГц. Частота колебаний регулируется с помощью пульта управления прибора. Излучения производятся пакетами по нескольку раз в секунду, что достигается использованием встроенного микроконтроллера. Мощность колебаний невелика, поэтому никакой угрозы для здоровья человека подобные приборы не представляют.

Целесообразность установки подобных приборов определить достаточно легко. Все сводится к тому, чтобы определить, насколько жесткая вода течет из водопроводной трубы. Тут даже не надо никаких «заумных» приборов: если после мытья ваша кожа становится сухой, от брызг воды на кафельной плитке появляются белые разводы, в чайнике появляется накипь, стиральная машина стирает медленнее, чем в начале эксплуатации - однозначно из крана течет жесткая вода. Все это может привести к выходу из строя нагревательных элементов, и, следовательно, самих чайников или стиральных машин.

Жесткая вода плохо растворяет различные моющие средства - от обычного мыла до супермодных стиральных порошков. В результате порошков приходится класть больше, но это помогает мало, так как кристаллы солей жесткости задерживаются в тканях, качество стирки оставляет желать лучшего. Все перечисленные признаки жесткости воды красноречиво говорят о том, что необходимо устанавливать умягчители воды.

Подключение и проверка ТЭНов

При подключении ТЭНа должен использоваться провод подходящего сечения. Здесь все зависит от тока, протекающего через ТЭН. Чаще всего известны два параметра. Это мощность самого нагревателя и напряжение питания. Для того, чтобы определить ток, достаточно разделить мощность на напряжение питания.

Простой пример. Пусть имеется ТЭН мощностью 1КВт (1000Вт) на напряжение питания 220В. Для такого нагревателя получается, что ток составит

I = P/U = 1000/220 = 4,545A.

Согласно таблицам, размещенным в ПУЭ, такой ток может обеспечить провод сечением 0,5мм2 (11А), но с целью обеспечения механической прочности лучше применить провод сечением не менее 2,5мм2. Как раз таким проводом чаще всего выполняется подвод электричества к розеткам.

Но перед тем, как производить подключение, следует убедиться в исправности даже нового, только что купленного ТЭНа. Прежде всего, надо измерить его сопротивление и проверить целостность изоляции. Сопротивление ТЭНа достаточно просто рассчитать. Для этого надо напряжение питания возвести в квадрат, и поделить на мощность. Например, для нагревателя мощностью 1000Вт этот расчет выглядит так:

220*220/1000=48,4Ом.

Такое сопротивление должен показать мультиметр при подключении его к выводам ТЭНа. Если же спираль оборвана, то, естественно, мультиметр покажет обрыв. Если взять ТЭН иной мощности, то сопротивление, естественно, будет другим.

Для проверки целостности изоляции следует измерить сопротивление между любым из выводов и металлическим корпусом ТЭНа. Сопротивление наполнителя-изолятора таково, что на любом пределе измерений мультиметр должен показать обрыв. Если окажется, что сопротивление равно нулю, то спираль имеет контакт с металлическим корпусом нагревателя. Такое может случиться даже с новым, только купленным ТЭНом.

Вообще для проверки изоляции применяется , но не всегда и не у всех он есть под рукой. Так что вполне подойдет и проверка обычным мультиметром. Хотя бы такую проверку надо сделать обязательно.

Как уже было сказано, ТЭНы можно изгибать даже после наполнения изолятором. Существуют нагреватели самой разнообразной формы: в виде прямой трубки, U-образные, свернутые в кольцо, змейку или спираль. Все зависит от устройства нагревательного прибора, в который предполагается установить ТЭН. Например, в проточном водонагревателе стиральной машины применяются ТЭНы свитые в спираль.

Некоторые ТЭНы имеют элементы защиты. Самая простая защита это термопредохранитель. Уж если он сгорел, то приходится менять весь ТЭН, но до пожара дело не дойдет. Есть и более сложная система защиты, позволяющая использовать ТЭН после ее срабатывания.

Одной из таких защит является защита на основе биметаллической пластины: тепло от перегретого ТЭНа изгибает биметаллическую пластину, которая размыкает контакт и обесточивает нагревательный элемент. После того, как температура снизится до допустимого значения, биметаллическая пластина разгибается, контакт замыкается и ТЭН снова готов к работе.

ТЭНы с терморегулятором

При отсутствии горячего водоснабжения приходится пользоваться бойлерами. Конструкция бойлеров достаточно проста. Это металлическая емкость, спрятанная в «шубу» из теплоизолятора, поверх которого находится декоративный металлический корпус. В корпус же врезан термометр, показывающий температуру воды. Конструкция бойлера показана на рисунке 8.

Рисунок 8. Бойлер накопительного типа

Некоторые бойлеры содержат магниевый анод. Его назначение защита от коррозии нагревателя и внутреннего бака бойлера. Магниевый анод является расходным материалом, его приходится периодически менять при обслуживании бойлера. Но в некоторых бойлерах, видимо, дешевой ценовой категории, такая защита не предусмотрена.

В качестве нагревательного элемента в бойлерах применяется ТЭН с терморегулятором, конструкция одного из них показана на рисунке 9.

Рисунок 9. ТЭН с терморегулятором

В пластмассовой коробке расположен микровыключатель, который срабатывает от жидкостного термодатчика (прямая трубка рядом с ТЭНом). Форма собственно ТЭНа может быть самой разнообразной, на рисунке показана самая простая. Все зависит от мощности и конструкции бойлера. Степень нагрева регулируется за счет положения механического контакта, управляемого белой круглой рукояткой, расположенной внизу коробки. Здесь же находятся клеммы для подвода электрического тока. Крепление нагревателя производится при помощи резьбы.

Мокрые и сухие ТЭНы

Подобный нагреватель находится в непосредственном контакте с водой, поэтому такой ТЭН называют «мокрым». Срок службы «мокрого» ТЭНа находится в пределах 2…5 лет, после чего его приходится менять. В общем-то, срок службы невелик.

Для увеличения срока службы нагревательного элемента и всего бойлера в целом французской компанией Atlantic в 90-х годах прошлого века была разработана конструкция «сухого» ТЭНа. Если сказать проще, то нагреватель был спрятан в металлическую защитную колбу, исключающую прямой контакт с водой: нагревательный элемент греется внутри колбы, которая передает тепло воде.

Естественно, что температура колбы намного ниже, чем собственно ТЭНа, поэтому образование накипи при той же жесткости воды происходит не столь интенсивно, в воду передается большее количество тепла. Срок службы таких нагревателей достигает 10…15 лет. Сказанное справедливо для хороших условий эксплуатации, прежде всего стабильности напряжения питания. Но даже и в хороших условиях «сухие» ТЭНы тоже вырабатывают свой ресурс, и их приходится менять.

Вот здесь обнаруживается еще одно достоинство технологии «сухого» ТЭНа: при замене нагревателя нет никакой необходимости сливать воду из бойлера, для чего следует отключать его от трубопровода. Достаточно просто вывернуть нагреватель и заменить его на новый.

Компания Atlantic, конечно же, запатентовала свое изобретение, после чего стала продавать лицензию другим фирмам. В настоящее время бойлеры с «сухим» нагревательным элементом выпускают и другие фирмы, например, Electrolux и Gorenje. Конструкция бойлера с «сухим» ТЭНом показана на рисунке 10.

Рисунок 10. Бойлер с «сухим» нагревателем

Кстати, на рисунке показан бойлер с керамическим стеатитовым нагревателем. Устройство такого нагревателя показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Керамический нагреватель

На керамическом основании закреплена обычная открытая спираль из проволоки с высоким сопротивлением. Температура нагрева спирали достигает 800 градусов и передается в окружающую среду (воздух под защитной оболочкой) конвекцией и теплоизлучением. Естественно, что такой нагреватель применительно к бойлерам может работать только в защитной оболочке, в воздушной среде, прямой контакт с водой попросту исключен.

Спираль может быть намотана в несколько секций, о чем говорит наличие нескольких клемм для подключения. Это позволяет менять мощность нагревателя. Максимальная удельная мощность подобных нагревателей не превышает 9Вт/см 2 .

Условием нормальной работы такого нагревателя является отсутствие механических нагрузок, изгибов и вибраций. На поверхности не должно быть загрязнений в виде ржавчины и масляных пятен. И, конечно же, чем более стабильным будет напряжение питания, без выбросов и скачков, тем более долговечна работа нагревателя.

Но электротехника не стоит на месте. Технологии развиваются, усовершенствуются, поэтому кроме ТЭНов в настоящее время разработаны и успешно применяются самые разнообразные нагревательные элементы. Это керамические нагревательные элементы, карбоновые нагревательные элементы, инфракрасные нагревательные элементы, но это будет темой для другой статьи.

Всевозможные электроприборы для нагрева широко применяются в быту почти в каждом доме. Главным компонентом подобных устройств являются электрические нагревательные элементы (ТЕН)(Спираль).

Разновидности

Выделяют всего два типа нагревателей:

1. Открытые электрические нагревательные элементы:
К нагревателям открытого типа относятся спирали. Спиральные нагревательные элементы отдают тепло за счёт конвекции и излучения. Они в основном подвешиваются на кронштейне из электрически изоляционного материала. Ещё есть спирали, положенные в изоляционных канавках.
2. Закрытые электрические нагревательные элементы:
— герметичные. К герметичным нагревателям относятся трубчатые нагревательные элементы. Электрические нагревательные элементы работают на основе конвекции, излучения и теплопроводности, преобразовывая электроэнергию в тепловую энергию;
— негерметичные. Это спирали и ленты в защитной оболочке, выполненной из электроизоляционного материала. В качестве защиты могут применяться чешуйчатые бусы из керамики, надевающиеся прямо на спираль.

Особенности нагревательных спиралей

Для изготовления нагревательных спиралей применяют нихром или фехраль. Некоторые фирмы выпускают спирали из еврофехрали. Разные производители выпускают нагревательные элементы в зигзагообразной или круглой форме. Встречаются спирали, оборудованные по концам резьбовыми шпильками (винтами).

Свойства нихромовых спиралей:

• Сохраняют пластичность после остывания.
• Большое удельное сопротивление.
• Не накаляются при нагревании.
• Не потребляют кислород.
• Превосходные механические свойства.
• Сберегают свойства при длительной эксплуатации.

Нихромовые спирали с керамической основой можно неоднократно снимать, при необходимости поправлять и изменять их форму, подгоняя под нужные размеры. Эксплуатируют подобные нагреватели в быту, промышленности и прочих приборах.

Свойства фехралевых спиралей:

• Высочайшая жароустойчивость.
• Значительное удельное сопротивление.
• Стойкость к воздействиям агрессивной среды.
• Отсутствие окалины.
• Механическая устойчивость.
• Прочность на изгиб.
• Большой срок службы.

Применяются эти спирали в электропечах почти во всех отраслях промышленности и в других электроприборах (калориферах, электроплитках). Эти нагревательные элементы имеют меньшую плотность, служат дольше и стоят дешевле от нихромовых спиралей.

Свойства фехралевых и спиралей из прочих многокомпонентных сплавов:

• Высокое удельное сопротивление.
• Однородность структуры.
• Превосходная стойкость к воздействию разной среды (вакууму, воздуху, аргону и т.п.).
• Высокая пластичность.\
• Хороший предел ползучести.
• Большой срок эксплуатации.

Подобные спирали служат дольше, имеют меньшую плотность, большую пластичность и лучшее качество поверхности от нихромовых и фехралевых. Они считаются более надёжными и выносливыми, поэтому используются в приборах, предназначенных для работы при высоких температурах (1200Со).

Преимущества и недостатки спиралей

Преимущества нагревателей открытого типа:

• Простая конструкция.
• Быстрый нагрев.
• Лёгкость в ремонте.
• Невысокая стоимость.

Недостатки:

• Низкая электробезопасность.
• Риск замыканий витков спирали.
• Вероятность появления механических повреждений.

Ещё существуют спирали закрытого типа, они помещены в металлической оболочке, пространство которой заполнено порошком в качестве изоляции. Эти элементы разогреваются намного дольше, но они надёжнее и безопаснее в эксплуатации, самое распространённое применение таких элементов это электрические конфорки, для электрических плит.

Особенности ТЭНов: конструкция и принцип работы

ТЭНы (трубчатые электрические нагревательные элементы) представляют трубку, внутри которой посередине расположена токопроводящая нить или спираль. Трубка обычно изготовлена из металла, но есть приборы со стеклянной или керамической трубкой. ТЭНы с металлическими трубками предназначены для нагрева практически не агрессивных сред.

Стекло применяют для ТЭНов в промышленных установках, т.е. для химически сильноагрессивных сред. Керамические или из других благородных металлов трубки встречаются очень редко, изготавливаются они для особых случаев. Трубки бывают разного диаметра от 6 мм до 24 мм.

Нить из термоэлектрического сплава, может быть нихромовая или фехралевая. Эта деталь, хорошо запрессованная в сердцевине, имеет отменное сопротивление, поэтому сильно разогревается при прохождении электротока, но не плавиться.

Спираль (нить) исполняет роль нагревателя. Пространство между ней и трубкой наполнено теплоизолятором с хорошей теплопроводностью. В качестве него используют перикласт (кристаллическую окись магния MgO). MgO согласно ГОСТ 13236–83, обладает высокими диэлектрическими свойствами и стойкостью к высоким температурам. Изоляционный слой предотвращает контакт диэлектрика с трубкой и передаёт максимально эффективно тепловую энергию на поверхность.

Перед тем, как попасть в окружающую среду, тепловая энергия сначала проходит через диэлектрик, а потом через нержавеющие стенки трубки, нагревая воду или воздух.

Трубчатые электрические нагревательные элементы могут работать в следующих рабочих условиях:

• Жидких.
• Твёрдых.
• Газообразных.

ТЭН оснащён группой контактных устройств, предназначенных для его включения. В качестве контактов обычно применяют проводящие клеммы, которые располагают на изолирующих вставках.

Основные детали ТЭНа:

• Трубка.
• Нагревательный элемент — спираль или нить.
• Наполнитель.
• Изолирующий слой.
• Контактные устройства.

Подобная конструкция способна выдерживать длительную штатную нагрузку. При этом скачки напряжения кратковременные перегрузки сильно не влияют на работу нагревательного элемента. Некоторые группы ТЭНов оборудуются дополнительными деталями, к примеру, термопредохранителями или магниевыми анодными стержнями для продления срока работы.

Отличия нагревателей касаются не только материала исполнения, но также конструкции и их назначения. ТЭНы бывают разной длины и диаметра, выполняются из стали или титана, а также имеют разные электротехнические параметры.

Виды ТЭНов

• Оребрённые ТЭНы (ТЭНР) . Эти нагреватели предназначены для нагрева воздуха, поэтому их называют воздушными. Материалом их выполнения является нержавеющая и конструкционная сталь. ТЭНР оребряют лентой, а также наборными шайбами.

• ТЭНы патронного типа (ТЭНП) . Используются для нагревания пресс-форм, поэтому эксплуатируются в промышленных установках. Изготовлены из шлифованной нержавеющей трубы, имеют контактные выводы на одной стороне. Некоторые ТЭНП оснащены термоэлектрическим преобразователем. Иногда их применяют для нагревания газовых и жидких сред.
• Блок электронагревателей (ТЭНБ) . Блоки обеспечивают повышенной мощностью обогрев сыпучих и жидких веществ, поэтому их часто называют водяными ТЭНБ. Производятся из разного материала и различной мощности. Крепления фланцев бывают резьбовыми и болтовыми.

• ТЭНы с терморегулятором . Эти электроустройства применяют для нагрева воды в любой ёмкости подходящего объёма с возможностью поддержания конкретно заданной температуры (электрокотлы и пр. оборудование).

• Кольцевые электрические нагревательные элементы (КНП) . Эти устройства необходимы для обогрева литниковых втулок, прожекторов и т.п. Для производства оболочки используется нержавеющая сталь. КНП могут поставляться с оборудованной термопарой.

Маркировка ТЭНов

Пример; ТЭН 100 А 13 О 220 Ф2 R30 G1/2

Обозначения позиций в маркировке:

1- Трубчатый электронагреватель.
2- Развёрнутая длина 100 мм.
3- Длина контактного стержня А=40 мм,
(А=40, В= 65, С=100, D=125, E=160, F=250 (мм)).
4- Диаметр 13 мм, бывают следующие диаметры: 6,25; 8; 10; 13; 16; 22.
5- Потребительская мощность.
6- Устройство предназначено для обогрева подвижного воздуха (О).

Обозначение нагреваемой среды:

P — Вода, оболочка из черной стали.
J — Вода, оболочка из нержавейки.
S — Неподвижный воздух, оболочка из черной стали.
T — Неподвижный воздух, оболочка из нержавейки.
O — Движущийся воздух, оболочка из черной стали.
K — Движущийся воздух, из нержавеющей стали оболочка.
Z — Масло.
L — Литейные формы.
7 — Номинальное напряжение равно 220В.
8 — Форма ТЭНа Ф2 (формы см. на рис.1).
9 — Радиус гибки равен 30 мм.
10 — Наличие резьбовых штуцеров G1/2.

Преимущества и недостатки ТЭНов

ТЭНы эксплуатируются в промышленных печах и почти в любой обогревательной технике. Водонагреватели, переносные радиаторы отопления, стиральные машинки и прочие приборы, в функциях которых есть нагрев, работают на основе ТЭНов.

Преимущества ТЭНов следующие:

• Универсальность и безопасность.
• Надёжность работы.
• Можно использовать в установках инфракрасного нагрева.
• Можно помещать в любую жидкость.
• Могут работать при различных ударных нагрузках.
• Надёжная герметизация спиралей.
• Разнообразие форм.

Трубчатые электрические нагревательные элементы обладают высокой стабильностью и прочностью, поэтому имеют длительный срок службы, но у них всё же есть и недостатки:

• Высокая металлоемкость.
• ТЭН с перегоревшей спиралью невозможно отремонтировать.

Эти устройства имеют более высокую стоимость от обычных открытых нагревательных спиралей. Но при эксплуатации подобных приборов лучше выбирать более безопасные варианты, не смотря на цену.

При навивке спирали из нихрома для нагревательных элементов, операцию зачастую выполняют методом проб и ошибок, а затем подают напряжение на спираль и по нагреву нихромовой проволоки, нити подбирают требуемое количество витков.

Обычно такая процедура занимает много времени, а нихром теряет свои характеристики при множественных перегибах, что приводит к быстрому прогоранию в местах деформации. В худшем случае из делового нихрома получается нихромовый лом.

С ее помощью можно точно определить длину намотки виток к витку. В зависимости от Ø нихромовой проволоки и Ø стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.

Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня

Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из проволоки Ø 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение:

220 В - 22 см

380 В - Х см

тогда:

X = 380 · 22 / 220 = 38 см

Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице.

Расчет электронагревательных элементов из нихромовой проволоки

Длину нихромовой проволоки для изготовления спирали определяют исходя из необходимой мощности.

Пример: Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью P = 600 Вт при U сети=220 В.

Решение:

1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A

2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом

3) По этим данным (см. таблицу 1) выбираем d =0,45; S =0,159

тогда длина нихрома

l = SR / ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м

где l - длина проволоки (м)

S - сечение проволоки (мм 2)

R - сопротивление проволоки (Ом)

ρ - удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм 2 /м)

Спиральные нагревательные элементы применяются для нагрева горячеканальных сопел, пресс-форм, инжекторов, стержней, форсунок распределения и т.д. В зависимости от размера сечения делятся на HCf и MCf. Витковые нагреватели для горячеканальных систем (ГКС) поставляются в выпрямленном виде или в готовом навитом состоянии с необходимым диаметром и распределением на необходимую длину.

Спиральные ТЭНы наилучшим образом подходят для обогрева цилиндрических форм и соединений. Несмотря на небольшой диаметр, они обладают нагревом большой мощности, обеспечивая равномерный нагрев до 750°С. Нагревательный провод наивысшего качества помещен внутрь корпуса из нержавеющей стали. Составляющие части нагревательного элемента проходят обжимку, что повышает срок службы нагревательного элемента и позволяет выдерживать высокие температуры. Катушечные нагреватели полностью герметичны, что предотвращает попадание твердых предметов, влаги, жидкости.

Преимущества: есть возможность изготовления любых нестандартных размеров или нестандартных мощностей спиралевидных нагревателей под заказ. Если необходимо, осуществляем навивку по техзаданию (скачать ).

При правильной эксплуатации срок службы нагревателей не ограничен.

Строение спирального нагревательного элемента

Основные характеристики стандартных складских позиций спиральных нагревательных элементов

На заказ возможно изготовление спиральных нагревателей со следующими характеристиками