Где применяются современные нагревательные элементы?
Как было сказано, они являются составной частью промышленной и бытовой техники. Их можно встретить в электрических плитах, жарочных шкафах и духовках, электрочайниках, отопительных приборах, водонагревателях, электрокофеварках и многих других машинах. Замена нагревательного элемента может быть и простым, и весьма сложным делом. Всё зависит от техники, где они используются. В качестве основы нагревательного элемента используется проволока, обладающая высоким электрическим сопротивлением. В большинстве случаев она изготавливается из нихрома. Так какие электрические нагревательные элементы существуют и на данный момент широко используются?
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.
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 показана таблица, где приведены данные о спиралях различной мощности при напряжении питания 220В.
Расчет электрической спирали нагревательного элемента
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.
Инфракрасные нагревательные элементы
Функционируя, они генерируют в окружающую среду инфракрасные лучи. Таким образом, осуществляется распространение тепла безопасным для человека образом. Инфракрасные нагревательные элементы способствуют постепенному и равномерному нагреву помещения (но приоритетной считается область, куда они направлены). Благодаря такому свойству они используются не только в домашних, но и в производственных и лабораторных условиях. К тому же данные приборы имеют низкую рабочую температуру (60-65 градусов), что позволяет использовать инфракрасные нагревательные элементы в качестве прибора для сушки для фруктов, овощей и грибов.
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.
Бойлер с «сухим» нагревателем
Кстати, на рисунке показан бойлер с керамическим стеатитовым нагревателем. Устройство такого нагревателя смотрите ниже.
Карбоновая лампа
Является вакуумной трубкой, сделанной из кварцевого стекла. Внутри размещается излучающий элемент, который сделан из карбоновых (углеродсодержащих) волокон, свитых в жгут. Иногда его ещё называют спиралью, но это неправильно. Несмотря на то, что карбоновое волокно появилось относительно недавно, оно успешно завоевало себе место в ряде технологий, в том числе и при изготовлении нагревательных элементов. При подаче напряжения происходит моментальный разогрев. Благодаря волокнистой структуре увеличена площадь излучения, что ведёт к повышенной теплоотдаче. Это, в свою очередь, позволяет значительно экономить электроэнергию (по сравнению с использованием нихромовой основы).
Инфракрасные обогреватели
Отличие этого типа обогревателей от остальных устройств в том, что они нагревают не воздушную среду непосредственно, а поверхности домашней обстановки: мебель, стены, пол дачи и т. д. Нагретые поверхности, как теплоаккумуляторы, отдают тепло воздуху, создавая комфортные условия. Такой принцип работы позволяет выбрать инфракрасные обогреватели не только для нагревания пространства внутри дома, но и на улице — в беседке, на террасе.
Инфракрасные обогреватели — едва ли не лучшие из всех вариантов для дачи, несмотря на свою более высокую стоимость. Работает такое устройство или на газе, или на электричестве. Можно устанавливать на потолке или на стене. Газовый вариант, как и все устройства, связанные с горением, менее безопасны и сложнее в монтаже.
Достоинства
- Быстрое повышение температуры в зоне работы устройства.
- Инфракрасные обогреватели работают бесшумно.
Недостатки
- Более высокая стоимость по сравнению с обогревателями, описанными выше; инфракрасные обогреватели стоят от 2000 рублей.
Керамические инфракрасные излучатели
Являются обычными ТЭНами, которые размещены в керамическом корпусе. Теплом нагревается оболочка, а потом уже и внешняя среда. Благодаря значительной площади, которую имеет керамический нагревательный элемент, обогрев помещений осуществляется в ускоренном режиме (в сравнении с ТЭНом). Также их из-за размеров часто называют панельными инфракрасными нагревателями. Они могут быть вогнутыми, плоскими или выпуклыми. Рабочая температура, которую имеет керамический нагревательный элемент, колеблется обычно в диапазоне 700-750 градусов. Их параметры могут быть подобраны на все случаи. Существуют отдельные экземпляры, которые могут похвастаться значительными параметрами: так, открытый тип предназначен для быстрого обогрева помещения и может разогреваться до 900 градусов выше нуля!
Тепловентиляторы
Самыми доступными по цене и простыми в использовании считаются тепловые вентиляторы, которые обычно бывают настольными или напольными. При прохождении воздуха сквозь нагревательные элементы прибора обеспечивается быстрый прогрев любого помещения. Нагревательные элементы в тепловентиляторе выполняют в виде:
- Электрической открытой спирали с температурой до 800 градусов.
- Электрического нагревателя в форме трубки с температурой свыше 200 градусов.
- Плиток керамических, имеющих температуру до 200 градусов.
Тепловые вентиляторы с керамическими нагревательными элементами обеспечивают более чистую подачу воздуха, без выброса продуктов сгорания. Приборы популярны ввиду своей невысокой стоимости и легкости в переноске. Они почти мгновенно нагревают помещение до нужной температуры.
Тепловентиляторы экономичны: 1 кВт мощности устройства может прогреть помещение площадью до 20-25 м 2 .
Кроме указанных характеристик к их достоинствам можно причислить наличие термостата, который мгновенно отключает прибор при перегреве.
К недостаткам тепловых вентиляторов можно отнести их шумность и способность поднимать пыль в комнате.
Есть еще такая разновидность обогревателей, как воздуходувки или тепловые пушки. В системе такой теплопушки задействованы накаляющиеся спирали и мощный вентилятор. Воздуходувки очень эффективны в непрогретых помещениях, например, гаражах.
Кварцевые и галогенные излучатели
Являются запаянной вакуумной трубкой, сделанной из кварцевого стекла. Внутри находится спираль, сделанная из металла, обладающего высоким сопротивлением. По сути, это галогенные лампы, у которых внутри вольфрамовая спираль. В зависимости от конструкции излучатели делят на два вида:
- Со средневолновым.
- С коротковолновым диапазоном.
В первых спираль выполнена в звездчатой форме. Во втором внутри кварцевой трубки расположена нить накала. Но почему были созданы различные конструкции? Дело в том, что галогенные излучатели, у которых поддерживается нить накала, могут нагреваться до температуры 2600 градусов. Данные элементы являются обладателями высокой мощности и имеют очень незначительное время реагирования. Где эти преимущества нашли применение? Они необходимы в кратких циклических процессах, в которых, тем не менее, необходима высокая удельная мощность, которую может дать указанный нагревательный элемент.
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 1 КВт (1000 Вт) на напряжение питания 220 В. 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 0,5 мм2 (11 А), но с целью обеспечения механической прочности лучше применить провод сечением не менее 2,5 мм2. 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 1000 Вт этот расчет выглядит так:
220*220/1000=48,4 Ом.
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.
Проверка целостности изоляции
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 специальный прибор мегаомметр, 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, трубчатые электрические нагревательные элементы 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 трубчатые электрические нагревательные элементы 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.
Силиконовые нагревательные элементы
Конструктивно они выглядят так: между двумя слоями силикона размещается вытравленная нагревательная пленка или провод. Несмотря на странность, таким образом можно получить элемент, который позволит получить разнообразные параметры готовой техники. Чтобы увеличить механическую прочность, производится армирование текстильным стекловолокном. Характеризируя их, следует сказать, что таким нагревателям требуется мало времени для нагрева и остывания. Они могут точно поддерживать температуру нагревательного элемента при помощи сенсора и термостата. Размеры их невелики: самые маленькие имеют толщину всего 0,7 миллиметра. Данный факт позволяет их использовать в различных областях: от подогрева бочек с красками или маслами, заканчивая аэрокосмическими аппаратами.
Силиконовые нагревательные элементы отличаются повышенной стойкостью к негативному воздействию сырости и влаги. Поэтому их используют в лабораторном оборудовании, сфере общественного питания и вообще в любых случаях, когда необходимо защитить аппаратуру от конденсата и замерзания. Единственное ограничение – температура рабочей среды: в большинстве случаев она не должна превышать 200 градусов.
Нагреватели с открытой спиралью
Представляют собой спиральный нагревательный элемент, подлежащий установке в специальные изоляционные канавки или креплению на кронштейны. Подача тепла происходит посредством конвекции или излучения.
Достоинства: простая схема, быстрый нагрев, умеренная стоимость и простота ремонта.
Недостатки: невысокая электробезопасность, возможность короткого замыкания, слабая защита от механических повреждений.
Примеры приборов с открытой спиралью:
- сухие ТЭНы,
- миканитовые нагреватели с открытой спиралью,
- проволочные нагреватели,
- ТЭНы для печей отжига.
