Нагревательные элементы (ТЭНы) для накопительных водонагревателей

Педразвитие

Автор:
Просочкина Наталья Александровна
Должность:
преподаватель спецдисциплин
Учебное заведение:
Байкнурский электрорадиотехнический техникум
Населённый пункт:
г.Байконур
Наименование материала:
Лабораторная работа
Тема:
«Расчет нагревательных элементов»
Раздел:
среднее профессиональное

Расчет нагревательных элементов

Общеобразовательная –

Закрепление знаний по теме « Нагревательные элемен-

Развивающая —

Развитие познавательной активности учащихся.

Воспитательная

– Проверить способность к самоанализу.

Теоретические сведения о расчете нагревательных элементов

Основная задача при расчете электрического нагревательного прибора с отдельными на-

гревателями сводится к следующему.

Требуется нагреть заданное количество материала известной теплоемкости с какой- либо

начальной температурой до определенной конечной температуры в заданное время. Исходя из

этих условий, находят сечение и длину нагревателей, питаемых током известного напряжения.

Расчет начинается с определения полезного количества теплоты, кДж, необходимой для повы —

шения температуры нагреваемого материала до заданной величины без учета тепловых по —

), где m- масса нагревательного материала, кг; t

— конечная температура материала,

С; с- удельная теплоемкость материала.

Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых материалов в интервале температур 0-

Источник

Устройство электрического ТЭНа

Конструкция ТЭНов включает в себя следующие составляющие:

• металлическая трубка;
• спираль;
• наполнитель;
• керамический изолятор;
• контактный стержень.

Спираль полностью загерметизирована в металлической трубке и соединена с контактным стержнем, наружный край которого имеет необходимые выступы для соединения с элементом, подающим электрический ток. Такая конструкция ТЭНов исключает возможность короткого замыкания и обеспечивает равномерное распределение нагрева по всей поверхности металлической трубки.

Изолирующим наполнителем спирали от трубки тэна, является периклаз, минерал состоящий из оксида магния иногда с примесями оксида железа, оксида марганца и оксида цинка.

Металлическая трубка нагревателя изготавливается из сплавов:

• чистой латуни (рис. 1) и меди (рис. 2). Эти материалы трубки ТЭНов обязательно используются с покрытиями;
• стали. Сталь может быть как нержавеющая (рис. 3), так и углеродистая (рис. 4), это зависит от особенностей конструкции и работы ТЭНа;
• алюминия (рис. 5)

Она может иметь различный диаметр, от 6 до 19 мм. Конструкцию блочного тэна возможно укомплектовать датчиком температуры и предохранителем от перегрева.

Выбор металлов и их сплавов зависит от рабочей среды ТЭНа. Это могут быть щелочи и кислоты, воздух с низкой и высокой концентрацией активных газов, различные металлические поверхности, которые будут соприкасаться с ТЭНом, жировые соединения и водные растворы.

В качестве нагревательного элемента выступает токопроводящая фехралевая или нихромовая спираль. Фехралевая спираль представляет собой железный сплав с добавками меди, марганца, алюминия, титана и других металлов. Основными достоинствами спирали из фехраля или его разновидностей (еврофехраля, суперфехраля) являются низкая цена, высокое удельное сопротивление и жаропрочность.

Спираль из нихрома представляет собой сплав никеля и хрома и обладает теми же характеристиками, что и фехралевая, но основное отличие фехралевой и нихромовой спиралей – в открытом виде удельная температура работы: фехралевая спираль выдерживает максимальный разогрев до +1400 °С, а спирали из нихрома до 1200 °С.

Контактный стержень может иметь патронную либо одноконцевую форму. По сфере эксплуатации часто различают воздушные, водные или масляные ТЭНы. Нагревательные элементы, которые используются в различных газообразных сферах, также относят к воздушным.

Введение

С наступлением золотой осени, когда коммунальщики еще не проснулись, температура в наших квартирах порой опускается до неприличных значений. В такой крайне неприятной ситуации необходимо как-то действовать. Какой обогреватель для дома самый экономичный и недорогой ?

Но что делать если счета за свет с каждым годом все выше, как и цены в магазинах, как же спастись от этого ужасного холода? Остается единственный вариант, выбрать самый экономичный, недорогой эффективный обогреватель с самым высоким КПД, в этом вопросе мы и постараемся вам помочь.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (КПД)

Газовая плита

У стандартной газовой плите, максимальная мощность горения конфорки 2 кВт. КПД такой конфорки всего 50 – 60%. Когда горит конфорка, значительная часть мощности расходуется на обогрев воздуха помещения кухни, затем нагрев кастрюли, и только потом начинает разогревать жидкость в баке, но при этом не переставая тратить энергию на обогрев вашей кухни.

Электроплита

У электроплиты, максимальная конфорка 20 сантиметров обладает мощностью 2 кВт. КПД электроплиты со стеклокерамическим покрытием равно ± 50%, КПД классических электрических плит 30 — 40%. При включении электроконфорки, какое-то время вся мощность тратится на разогрев самого нагревательного элемента плиты, потом часть мощности расходуется так же на обогрев воздуха помещения кухни, затем нагрев кастрюли, и только потом начинает разогревать жидкость в баке.

Электроиндукционная плита

Здесь значительно всё лучше, у тестируемой электроиндукционной плиты, максимальная мощность нагрева конфорки так же 2 кВт. КПД такой конфорки ± 90%. При включении индукционной плиты в конфорке образуется электромагнитное поле, которое, в свою очередь, создает вихревые токи в специальной посуде из ферромагнитных материалов. Дно самогонных аппаратов изготавливают из ферромагнитной нержавеющей стали AISI 430. Соответственно вся мощность плиты идёт только на нагрев непосредственно дна бака, и уже само дно начинает разогревать жидкость в баке. При этом конфорка плиты остаётся холодной, а энергия плиты не тратится на нагрев воздуха помещения кухни.

Тэн

Как я уже говорили в начале, практически все производители современных самогонных аппаратов, выпускают аппараты с фланцем для подключения Тэна. Ну или эту полезную опцию, (приварить фланец на бак), можно заказать в магазинах по продаже самогонных аппаратов.

Для соизмеримого сравнения возьмём Тэн мощностью 2кВ. КПД работы на тэнах 99%. Здесь максимально всё лучше. Тэны не греют воздух помещения кухни, они не тратят энергию нагрева посуды, вся энергия, подведённая к Тэну, нагревает его в считанные секунды, Тэн отдаёт энергию сразу же и всю непосредственно жидкости в баке.

Виды обогревателей

Сегодня на рынке существует великое множество различных электрических отопительных систем, от простых маленьки колориферов до сложных систем теплых полов, стен или потолков на дистанционном управлении в купе с системами умный дом, однако все их можно разделить всего на несколько видов:

1. Электрические (тепловентиляторы)
2. Электрокамины
3. Масляные радиаторы
4. Конвекторы или конвекционные нагреватели
5. Кварцевые панели
6. Инфракрасные. Различаются по типу нагревательного элемента: галогеновый, карбоновый, кварцевый, микатермический(лучший КПД)

БЕЗОПАСНОСТЬ РАБОТЫ ПРИ ПЕРЕГОНКЕ

Вот здесь начинаются самые большие плюсы и минусы.
Технологический процесс перегонки самогона сам по себе (ПОЖАРООПАСНЫЙ, ВЗРЫВООПАСНЫЙ)

Рассмотрим такие ситуации:

Вы поставили самогонный аппарат с брагой на плиту, подключили воду к аппарату для конденсации самогона, включили плиту на полную мощность, брага нагрелась до рабочей температуры и вот самогон закапал в банку. Процесс перегонки не быстрый, вы начинаете отвлекаться на другие дела. И здесь может произойти что угодно: отключили воду, лопнул шланг подачи воды, прошла тёща и нечаянно выдернула шланг из крана (кстати, ситуация с тёщей реальная, из своего опыта) и что происходит дальше. В холодильник самогонного аппарата не поступает вода, конденсация самогона не происходит, из носика вместо самогона начинает со свистом вырываться острые спиртовые пары. Они заполняют кухню, концентрация спиртовых паров становится критичной, а ГАЗ у вас включён и пламя горит. Что происходит дальше вы и сами понимаете.

Или такая ситуация, самогон наполняет банку, вы захотели измерить спиртуозность выходящего самогона или на кухню зашла жена, забежал ребёнок, забежала собака и одно неловкое движение и ваша банка с самогоном падает на стол, брызги разлетаются по кухне, попадают на плиту где горит газ, а спиртуозность самогона даже из самого простенького самогонного аппарата 60° такая спиртосодержащая жидкость очень хорошо горит (как бензин), что происходит дальше вы и сами понимаете.

Теперь вернёмся к вопросу о безопасности работы. Здесь по сути сводится всё к двум вопросам, какой вид энергии, открытый огонь или электричество, и нагревается конфорка или нет? При перегонке, бак самогонного аппарата из-за жидкости внутри больше 100 С° не нагреется, а электроконфорка разогревается до 300 С°., а если из бака выкипела вся жидкость, то может нагреться до 500С° что тоже умерено опасно.

Газовая плита ОПАСЕНО! (Открытый огонь)

Электроплита УМЕРЕНО ОПАСНО! (Конфорка сильно нагревается до 300-500 С°)

Электроиндукционная плита БЕЗОПАСНО! (Плита холодная)

ТЭН БЕЗОПАСНО! (Тэн находится внутри бака с жидкостью)

Принцип работы

Для начала необходимо вспомнить принцип работы отопителей. Тепловентиляторы считаются самыми простыми устройствами, нагрев происходит за счет распространение горячего воздуха вентилятором через лампу накаливания, КПД довольно низкий.

Принцип электрокаминов схож с тепловентиляторами, как правила такие устройства стационарные и несут скорее декоративную составляющую, КПД таких устройств находится на среднем уровне.

В масляных радиаторах тепло распределяется за счет нагрева масла внутри нагревателя тэнами. Нагрев происходит довольно долго, но и остывание заметно медленнее. За счет плавного нагрева масла внутри радиаторной решетки, такие батареи нельзя назвать экономичными и далее вы узнаете почему, КПД низкий. Даже в некоторых европейских странах им присвоен класс С по энергоэффективности.

Конвекторы работают на основе принципа конвекции за счет циркуляции воздуха внутри помещения через отопитель. Тяжелый холодный воздух опускается вниз, захватывается конвектором, нагревается и поднимается вверх, по мере поднятия вытесняет холодный воздух. Коэффициент полезного действия таких устройств довольно высокий.

Кварцевые панели представляют из себя нагревательный электрический элемент, заключенный между панелями из искусственного камня, КПД средний. Сперва затрачивается энергия на нагрев плит и происходит дальнейшая медленная теплоотдача этими плитами.

Как повысить КПД обогревателя

Для того, чтобы повысить эффективность обогревателя, на производстве используются различные технологии.
В масляных обогревателях более высокого КПД удается достигать за счет большей поверхности самого прибора. Таким образом, с нагретым корпусом контактирует больший объем воздушных масс, что немного увеличивает скорость обогрева помещения.

Принципы работы различных обогревателей

ИК-обогреватели и тепловентиляторы фокусируют работу на определенном участке комнаты. Такой зональный обогрев позволяет обеспечивать теплом только то место, где это требуется.

Конвекторы повышают производительность за счет особой конструкции самого устройства и его ТЭНа.

КПД основных видов обогревателей для дома

Всем известно, что такое КПД, это разница между затраченной энергией и произведенной. При подсчете коэффициента мы постарались предоставить максимально развернутый ответ в табличной форме. Так как по мимо энергетической составляющей, есть еще и финансовые затраты на покупку самого аппарата, затраты на электроэнергию, подсчет производится с учетом данных факторов.

В таблице приведены средние значения, полученные в результате испытаний обогревателей различных видов (спасибо одному известному магазину за предоставленное оборудование для тестирования). Стоимость за 1кВт энергии составляет 4 руб. Нагрев происходил в течении 1 часа в мебелированном помещении 18кв.м с начальной температурой 22гр.С. Мощность нагревателей 1500 Вт. Тип управления – электронный.

Полученные цифры являются приближенными, так как не учтено множество важных влияющих факторов на результат, таких как: единая марка производителя, влажность в помещении, модель самого нагревателя, направленность, напряжение в электрической цепи и т.д.

Но тем не менее цифры получились следующие, самый высокий коэффициент полезного действия получен у конвекторов, инфракрасных, микатермических нагревателей. Тепловентилятор с трудом смог нагреть помещение на 4 градуса.

Масляный радиатор нагрел помещение достаточно хорошо, после стопа эксперимента помещение продолжало нагреваться и оставаться прогретым дольше других, поэтому не стоит его списывать со счетов из-за высокого электропотребления.

По мимо электронного типа управления существуют также механические (устаревшие) и инверторные (самые современные и экономные). Если сравнивать расход электричества схожих обогревателей с различными модулями управления, выходят следующие цифры:

механический – 0% экономия, электронный блок позволяет сэкономить 30% в отличии от механического, инверторный блок управления самый экономный, данный способ терморегуляции позволяет сэкономить до 80% электричества по сравнению с механическими регуляторами.

Стоимость обогревателей с инверторными блоками может варьироваться от 8000 до 30000 руб. В длительной перспективе, как правило, такие затраты окупаются. Подробнее в видео:

Методика расчета спирали нагревателя ТЭНа

Самый простой способ расчета спирали – по таблице токовых нагрузок. Если такой способ по каким-либо причинам не может быть использован, то следует обратиться к формуле допустимой удельной мощности, которая является соотношением мощности нагрева спирали в Вт к площади поверхности спирали. Расчет выполняется в зависимости от температуры поверхности нагревателя и скорости отведения от нее тепла.

В большинстве случаев мощность спирали ТЭНа закладывается производителями в диапазоне от 0,01 до 12 КВт. Максимально возможная мощность подбирается в зависимости от следующих показателей:

1. диаметр оболочки тэн
2. материал оболочки тэн
3. среда эксплуатации
4. развернутая длина трубки тэн
5. длина греющей части

Нарушения удельной мощности ТЭНа

Для того, чтобы ТЭН работал в рамках эксплуатационных параметров, необходимо, чтобы удельная мощность соответствовала допустимым нормам. Значительное превышение или снижение удельной мощности может привести к сбоям в работе элемента. Если при снижении мощностей ТЭН не сможет обеспечить необходимую теплоотдачу, то в случае значительного увеличения мощности он может перегореть, и потребуется его замена.

Лучшие недорогие экономичные обогреватели по мнению экспертов, ТОП-15

При выборе обогревателя зачастую сложно понять по одному его виду в магазине хороший он или не очень, и проверки на работоспособность также недостаточно. Перед походом в магазин важно точно знать какой из обогревателей действительно справится со своей задачей, а какой и не стоит рассматривать. С этой целью мы составили рейтинг самых лучших и не дорогих обогревателей, подходящих для дома, дачи или квартиры, с расчетом на помещение 20кв.м, мощностью от 1000 до 2000 Вт. Данный рейтинг составлен на основе экспертного мнения и опыта использования другими пользователями. При выборе также дополнительно обращайте внимание на отзывы других пользователей и стоимость в магазинах розничной сети.

Электрические (тепловентиляторы)

Electrolux EFH/S-1115 1500 Вт (1100 – 4000 руб.)

Zanussi ZFH/C-408 1500 Вт (1450 – 4000 руб.)

Ballu BFH/C-31 1500 Вт (790 – 3600 руб.)

Масляные радиаторы

Ballu Classic BOH/CL-09 2000 Вт (2800 – 3300 руб.)

Electrolux EOH/M-6209 2000 Вт (3600 – 4900 руб.)

Timberk TOR 21.1507 BC/BCL 1500 Вт (3400 – 3950 руб.)

Конвекторы или конвекционные нагреватели

Ballu Enzo BEC/EZER-1500 1500 Вт (4230 – 4560 руб.)

Electrolux ECH/AG2-1500 T 1500 Вт (3580 – 3950 руб.)

СПРАВКА: время выхода на рабочую температуру зависит от спиртуозности браги

Газовая плита

Если объём бака у вашего самогонного аппарата 20 л., мощность конфорки 2 кВт. при заполнении бака 16 — 17 л. браги, то на рабочую температуру 80 С° (когда закапают первые капли самогона), аппарат выйдет через ± 55 мин., а весь процесс перегонки займёт ± 2 часа

Электроплита

Расписывать время перегонки браги на электроплите много не буду. Показатели приблизительно такие же, что и у газовой плиты, только чуть хуже.

Электроиндукционная плита

Время перегонки на индукционной плите, благодаря более высокому КПД, сокращается. При заполнении бака 16 — 17 л. браги, на рабочую температуру 80 С° аппарат выйдет через ± 40 мин., а весь процесс перегонки браги займёт ± 1час 40 мин.

Тэн

Благодаря самому высокому КПД, с 16 — 17л. браги, аппарат с Тэном 2 кВт. выйдет на рабочую температуру 80 С° через ± 30 мин., а весь процесс перегонки займёт ± 1час 30 мин.

Теплый пол или обогреватель, что лучше и экономичнее? Видео

Многие задаются вопросом, что лучше энергосберегающий обогреватель или система теплый пол, особенно данная тема актуальна для владельцев частных домов или жителей первых этажей многоэтажных домов.

И так, что же такое теплый пол — это система отопления, обогревающая помещение снизу-вверх, от пола к потолку. В качестве нагревателей используются электрические панели (маты, пленки, аморфные ленты) или гидравлические системы, соответственно, принцип обогрева также различный, инфракрасный и конвекционный. Монтируется система под различные напольные покрытия, кафель, ламинат, линолеум, ПВХ плитка, бетон.

Как и все нагреватели, теплые полы имею свои преимущества и недостатки, на которые следует обратить внимание, чтобы понять, что лучше для комнаты. Если сравнивать с конвекцией, тепло от радиатора поднимается вверх, под потолком остывает и опускается вниз и так по кругу, следовательно, в верхней части помещения гораздо теплее чем в нижней, и чтобы повысить тепло в районе ног, необходимо повышать мощность радиатора.

В отличии от радиаторов теплый пол распределяет тепло на большей площади помещения равномерно на нижней поверхности, благодаря такому расположению, достигается экономия затрат на теплоносителе, ощущение тепла в доме увеличивается в среднем на 2 – 3 гр.С, а экономия электроэнергии достигает 15-20% в сравнении с радиаторами. Подробнее об этом предлагаем посмотреть небольшой видеоролик.

К недостаткам теплых полов можно отнести длительный период нагрева, остывания. С изменением температуры наружного воздуха не всегда температура в помещении успевает быстро измениться. Для того, чтобы установить теплые полы, необходимо перестроить напольное покрытие или предусмотреть его заранее при ремонте или строительстве дома.

Так что же экономичнее? При выборе нагревателей, безусловно, стоит обратить внимание на систему теплый пол. Наилучший вариант использования- комбинированные системы отопления, теплые пол там, где это нужно совместно с радиаторами.

В случае длительного периода пониженных температур за окном использование теплых полов безусловно выгоднее настенных обогревателей и со временем окупит затраты на монтаж и стяжку полов. При кратковременных похолоданиях лучше подойдет локальный дорогой или дешевый обогреватель.

Преимущества и недостатки ТЭНов

Популярность электрического нагревательных элементов подобного плана обусловлена их высокой надежностью, разнообразием форм, длительным сроком эксплуатации, возможностью работать в самых разных условиях, как в бытовых, так и в производственных приборах и установках.

• универсальность – ТЭНы используют практически во всех сферах промышленного и народного хозяйства;
• широкий выбор сред работы – в силу достаточно значительного диапазона рабочих температур, верхний предел которого может достигать 650 градусов Цельсия, ТЭНы можно использовать в установках инфракрасного, кондуктивного и конвекционного нагрева;
• надежность – апробированная более чем за столетие конструкция ТЭНов была методом проб и ошибок приведена к оптимальным пропорциям и параметрам сплавов, размеров, соотношений всех элементов;
• безопасность обслуживания;
• низкая взрывоопасность;
• не боятся вибраций, ударов, перепадов температур и давления;
• доступность и широкий ассортимент.

Недостатки:

• при использовании в качестве материала спирали и трубки сплавов никеля, меди, других дорогостоящих металлов, повышается цена ТЭНа;
• невозможность ремонта в случае выхода из строя. Принцип работы электрического ТЭНа подразумевает, что после серьезных поломок конструкцию проще заменить, чем чинить;
• склонность к образованию налёта
• ограниченный срок службы.