Современные нагревательные элементы. Устройство и принцип работы.

Трубчатый электронагреватель (ТЭН)

Электрический нагреватель сопротивления, состоящий из нагревательного элемента, имеющего на концах контактные стержни, запрессованного вместе с наполнителем в металлическую оболочку в соответствии с чертежом. В зависимости от области применения и требований заказчика ТЭНы могут иметь различную конфигурацию (форму).

Конструкция трубчатого нагревательного элемента:

1 — Клеммы Используются для подключения к источнику питания.

2 — Контактный стержень Находясь внутри нагревательного элемента, остается ненагретым и определяет его холодную (нерабочую) зону. Может быть выполнен из никелированной, нержавеющей или обыкновенной стали.

3 — Трубчатая оболочка Чаще всего изготавливается из нержавеющей стали, меди или титана.

4 — Нагревательная спираль Представляет собой одну, две или три проволоки, выполненные из сплава с высоким удельным сопротивлением, например хромоникелевого или феррохромового.

5 — Изолирующий наполнитель Обеспечивает передачу тепла от спирали к оболочке, изолирует от оболочки, а в многоспиральных ТЭН изолирует спирали. Обычно используется порошок оксида магния (периклаз), который имеет хорошую теплопроводность и диэлектрическую прочность в ходе прессования.

6 — Герметик Предотвращает попадание влаги внутрь нагревателя.

7 — Изолятор стержня Изготавливается из керамики или термопласта.

Принцип работы: В оболочку (3) вставлен контактный стержень (2), имеющий токоподводящие клеммы (1). К стержню (2) приварена нагревательная спираль (4) с высоким омическим сопротивлением, которая и определяет рабочую (горячую) зону нагревателя. Чтобы избежать замыкания на корпус, спираль (4) изолирована от него наполнителем (5), который является диэлектриком с хорошей теплопроводностью. С концов стержень также изолирован специальными пробками (7). При нагревании спирали (4) тепло сквозь изоляцию (5) доходит до оболочки (3), которая и нагревает внешнюю среду (газ, жидкость, твердые тела).

Области применения:

• в машиностроении: для нагрева пресс-форм, штампов, литейных форм, ванн с кислотами и щелочами, в покрасочных камерах, для плавления легкоплавких металлов и т.д.;
• в пищевой промышленности: для варочных котлов, для кондитерского производства, хлебопекарной области, молочного производства и т.д.;
• в химической промышленности: для производства резины, каучука, в целлюлозно-бумажной отрасли, в нефтеперерабатывающей отрасли и т.д.;
• в медицине: для стерилизаторов, дистилизаторов и т.д.;
• в быту: для отопления помещений, в домашних электроприборах (чайники, утюги и др.)

В настоящее время в России существуют три государственных стандарта на ТЭН

• ГОСТ 13268-88 — Электронагреватели трубчатые;
• ГОСТ 19108-81 — Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых нагревательных электроприборов;
• ГОСТ 4.150-85 — Система показателей качества продукции. Электронагреватели трубчатые (ТЭН).

Как устроены ИК обогреватели

В сущности, конструкция ИК обогревателя проста и незатейлива: нагревательный элемент – излучатель помещен в корпус той или иной конструкции, внутри корпуса имеется рефлектор – отражатель, клеммы для подключения излучателя, а снаружи клеммы для внешних проводов. На рисунке показан именно такой простенький вариант обогревателя.

Конструкция ИК обогревателя: 1 — отражатель (рефлектор), 2 — защитная сетка, 3 — переключатель, 4 — крепежная скоба, 5 — инфракрасная карбоновая лампа, 6 — крышка, 7 — клеммная коробка, 8 — шнур питания, 9 — вилка.

Сразу бросается в глаза, что обогреватель данной конструкции очень похож на прожектор для галогенных ламп, применяемый для подсветки рекламы, фасадов зданий, ступенек крыльца, части двора возле дома. В общем, какого-то сравнительно небольшого участка, так называемое локальное освещение.

Поэтому с помощью ИК обогревателей тоже возможен обогрев не всей площади помещения, а лишь какой-то его части. Экономия электроэнергии заметна невооруженным глазом: зачем греть все помещение, если можно нагреть необходимый угол? Пример точечного обогрева показан на рисунке.

Точечный ИК обогрев

Если требуется сделать отопление, например на производстве, то понадобятся обогреватели несколько иной конструкции, которые можно установить в потолок, наподобие светильников с дневными лампами. Такой вариант показан на рисунке ниже.

Обогрев больших помещений

Подобных схем обогрева можно найти немало, ведь ИК обогреватели используются для отопления достаточно больших помещений: мастерских, складов, цехов, а то и вовсе небольших площадок на открытом воздухе. Например, это может быть беседка возле дома или веранда ресторана со столиками.

Нагревательные элементы для гальваники

Изготавливаются с оболочкой из кварцевого стекла, нержавеющей стали или титана и предназначены для подогрева различных веществ и растворов, в том числе агрессивных. В основном применяются в гальванотехнике и в химической промышленности. На оболочку изделия наносится метка минимальной глубины погружения. Во время эксплуатации необходимо чтобы уровень нагреваемой жидкости был выше этой метки. Погружаемые нагревательные элементы используются для нагрева органических кислот, растворов с содержанием металлов никеля Ni, хрома Cr, железа Fe, меди Cu, цинка Zn и т.д., водопроводной и морской воды, флюсов и др.

ТЭНы для подогрева масла

Эти двухконцевые масляные ТЭНы предназначаются для нагрева в ваннах и других емкостях масла, жиров, битума и других жировых веществ. Изготавливаются ТЭНы согнутыми в различных плоскостях с различными крепежными элементами.

• Максимальная температура нагреваемой среды, °С – 250;
• Максимально допустимая поверхностная нагрузка, Вт/см2 – 3,5;
• Диаметр оболочки, мм – 8,5-16;
• Максимальная мощность (в кВт) на 1 метр активной длины ТЭН – 0,93-1,75.

Высокотемпературные нагревательные элементы

Широко применяются в электропечах при температурах до 1700°С, а порой и до 1800°С. В зависимости от рабочих температур, их изготавливают на основе хромита лантана, карбида кремния, дисилицида молибдена и других сплавов, которые обладают высокой температурой окисления и высокой коррозионной стойкостью. Они могут использоваться как в непрерывном, так и в периодическом режиме эксплуатации с полным охлаждением в межцикловый период.

На рисунке изображены следующие нагревательные элементы: а — на основе хромита лантана (рабочая температура до 1800°С); б — на основе карбида кремния (до 1400°С); в — на основе дисилицида молибдена (до 1800°С); г — фехралевый (до 1400°С).

Расшифровка аббревиатуры, область применения и преимущества

Расшифровка аббревиатуры ТЭН звучит как трубчатый электронагреватель. Устройство обладает высокой мощностью и КПД, позволяя осуществлять быстрый нагрев жидких, газообразных и твердых сред. Применяется как конструктивный элемент в промышленных печах, водонагревателях, климатической технике, производственном оборудовании и многих других сферах.
Преимущества ТЭНов:

1. мощность;
2. производительность;
3. КПД;
4. универсальность;
5. срок службы.

Гибкие нагревательные элементы

Их принцип действия основан на выделении тепла проводами, обладающими высоким сопротивлением при прохождении по ним электрического тока. Могут сгибаться в любую форму непосредственно пользователем. Есть варианты крепления к поверхности с помощью самоклеящейся пленки. При оптимальной теплопередаче рабочая температура достигает 200°C (краткосрочно до 230°C). Обычно применяются для отопления помещений, в системах «теплый пол», в защитах от обледенения, в медицинской, пищевой и аэрокосмической промышленностях.

Гибкие нагревательные кабели и ленты

Предназначены для поддержания заданных температур (до 180°С), в том числе во взрывоопасных зонах. Они представляют собой волокнистый нагревательный элемент из нихрома, оплетенный стекловолокном и покрытый герметизирующей оболочкой из полиэтилена или резины. Благодаря большой поверхности обогрева, надежной электро- и гидроизоляции, малому весу и эластичности применяются в газовой, химической, нефтяной промышленности для разогрева и компенсации теплопотерь трубопроводов, теплообменников, а также в быту.

Плоские нагревательные элементы

Их конструкция представляет собой корпус из листового металла толщиной 0,25–0,5 мм, изготовленный из углеродистой или нержавеющей стали, внутри которого расположен нагревательный элемент из материала, обладающего высоким электрическим сопротивлением (нихромовая проволока, лента). Витки изделия изолированы друг от друга и от корпуса при помощи изоляционного материала (керамика (a), силикон(б), миканит(в) и др.). Основные достоинства: малая толщина, равномерный нагрев по всей поверхности, экономичность, экологическая безопасность, высокая надежность и долговечность. Применяются для обогрева помещений (конвекторы, калориферы, тепловые пушки, тепловые завесы), в штамповочных и вулканизационных прессах, в химической промышленности (обогрев ванн с агрессивной средой), в бытовых изделиях (сушка обуви, кипятильные кружки и т.д.)

ИК излучение, что это, и как оно работает

Инфракрасное излучение является одной из составных частей солнечного спектра. ИК лучи находятся в самой низкочастотной зоне солнечного света. Именно они несут нам на Землю тепло. При этом инфракрасные лучи беспрепятственно проходят сквозь воздух, нисколько не нагревая его. Нагревается земная поверхность, и все, что встречается на пути солнечных лучей. И только потом, от теплых предметов согревается воздух. Вот почему утром воздух прохладен, пока не взойдет Солнце. В точности также работают инфракрасные нагреватели, являющиеся основой промышленных и бытовых обогревателей.

Конечно, спектр рукотворных ИК нагревателей не столь широк, как у солнечного света, и находится в длинноволновой области ИК диапазона с длиной волны λ = 50—2000 мкм. Причем, чем меньше температура нагретого тела, тем больше длина волны. Вообще, диапазон ИК излучения намного шире и делится на три поддиапазона:

• коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм
• средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм
• длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм

Но инфракрасные нагревательные элементы работают только в длинноволновой части ИК спектра. Различные ИК нагревательные элементы являются основой для создания инфракрасных обогревателей. Поскольку тепло от инфракрасных нагревательных элементов передается в основном теплоизлучением, то их часто называют инфракрасными излучателями.

Керамические инфракрасные нагревательные элементы

Такие изделия состоят из керамического корпуса, в который вмонтированы нихромовые спирали. Под действием электрического тока этот элемент разогревается до температуры 450-470°С. Энергия нагретой спирали разогревает керамический корпус, поверхность которого в свою очередь начинает излучать поток инфракрасной энергии, выступая как фильтр и нормализуя излучение спирали. Широко применяются в инфракрасных кабинах/саунах, в химической промышленности, в оборудовании для изготовления стекла и т.д.

Какой конвектор выбрать

Если говорить о том, какой нагреватель лучше выбрать, ответ будет неоднозначным. При всех очевидных плюсах, каждый тип обладает своими недостатками. К примеру, трубчатый элемент имеет самое долгое время накаливания. При активной работе он может издавать щелкающие звуки и скрипы, вызванные расширением конструкции. В свою очередь монолитный элемент отпугивает большинство покупателей свой высокой стоимостью. Не все готовы переплачивать за значительную степень защиты и минимальную теплопотерю.

Чаще всего консультанты в магазинах рекомендуют приобретать конвекторы с монолитным элементом или ТЭНом.

Решение о том какой конвектор эффективнее, следует принимать исходя из характеристик обогреваемого помещения.

1. Если комната не влажная, а скорость прогрева воздуха не играет ключевой роли, лучше всего подойдет обычный ТЭН.
2. Однако если в помещении необходимо постоянно поддерживать комфортные условия, правильнее будет отдать предпочтения монолитному элементу. Эффективная система конвекции позволит вам немного сэкономить на электроэнергии.
3. Также можно обратить свое внимание на модели комбинированного типа, как инфракрасный обогреватель с функцией конвекции. Этот прибор сочетает нагрев посредством ТЭНа и инфракрасного элемента, что позволяет добиться быстрого прогрева помещения при незначительном расходе электрической энергии.

Специалисты советуют обращать внимание не только на нагревательный элемент. Максимальная мощность работы, пространственное расположение, мобильность и эргономия корпуса также вносят существенный вклад в эффективность. Внимательно изучите технические характеристики прибора, и сможете легко подобрать подходящий вам конвектор.

Инфракрасные кварцевые излучатели

Излучатели представляют собой кварцевые трубки с резистивной спиралью внутри. Тепловое излучение, исходящее от нагревательного элемента поглощается окружающими предметами, которые разогреваясь отражают тепло, в результате этого повышается и температура воздуха. За счет короткого времени реагирования рекомендуется использовать такие приборы, прежде всего, в цикличных или часто прерываемых рабочих процессах: сушка фруктов и овощей/краски/лака/тканей, пастеризация, стерилизация, термо- и вакуумформовка, поддержание блюд в горячем состоянии. Также с их помощью обогревают помещения.