Устройство ТЭНа. Конструкция и принцип работы электронагревателя

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта . Трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую. Они применяются в качестве основы

в нагревательных устройствах (приборах) промышленного и бытового назначения, осуществляющих нагрев различных сред путем конвекции, теплопроводности или излучения. Трубчатые нагреватели можно размещать непосредственно в нагреваемой среде, поэтому сфера их применения достаточно разнообразна: от утюгов и чайников до печей и реакторов.

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.

Варианты возможных обозначений маркировки трубчатых электронагревателей:

ТЭН – 188 А 13/3.0 Т 220 Ф1

Развёрнутая длина нагревателя — 188 см.
Длина заделки контакта, имеющая буквенное обозначение (А) — 40 мм.
Диаметр нагревателя — 13 мм.
Номинальная мощность — 3 кВт.
Значение среды «T» согласно ГОСТу соответствует среда «Воздух и прочие газы, в том числе и смеси газов» и материл — нержавеющая сталь.
Номинальное напряжение — 220 В
Ф1 — классическая прямая форма.

Патронный нагреватель ТЭНП 16.9,9.270.230.500.350

Длина изделия — 160 мм.
Диаметр изделия — 9,9 мм.
Мощность — 0,27 кВт.
Среда— L — литейные формы и пресс-формы. Материал — углеродистая сталь.
Напряжение — 230 В.
Длина провода — 500 мм
Термостойкость провода — 350 °C

Описание технических характеристик ТЭНов может быть расширенным и содержать дополнительные сведения о нагревателе, позволяющие лучше его узнать.

ТЭН – 42 А 13/2,0 J 220 (G1/2; R73; Ф2)

Длина трубки — 42 см.
Длина контакта в заделке — А, что эквивалентно 40 мм.
Диаметр трубы —13 мм.
Мощность — 2,0 кВт
Рабочая среда — J, то есть вода или слабый раствор кислот. Материал — нержавеющая сталь.
Напряжение — 220 В.
Наружный диаметр штуцера — G 1/2
Радиус изгиба ТЭНа (мм) — R 73.
Форма изделия — №2 или U-образный.

ТЭН 95 C 13/1,25 Т 220 (м/о 69; Ф2)

Длина — 95 см
Длина заделки —С, 100 мм
Диаметр трубки — 13 мм.
Мощность — 1,25 кВт.
Среда — «T» обозначает воздух и прочие смеси газов. Материал — нержавеющая сталь.
Напряжение — 220 В.
Межосевое расстояние —69 мм
Форма изделия — Ф2 или «подкова»

При нанесении маркировки блок ТЭНов, к надписи добавляются другие обозначения: СЭВ (для воды) и СЭМ (для масла). На фланце могут быть расположены специальные соединительные отверстия. Характер резьбы отображается в следующем виде: метрическая — М, дюймовая — G.

Пример расшифровки маркировки блока ТЭН:

СЭВ 10 J 430 (ТЭН 430 В 8.5/ 3 J 220) G2

Мощность — 10 кВт
Среда — вода, слабые растворы кислот. Материал — нержавеющая сталь.
Длина — 430 мм
Длина заделки контактного стержня —65 мм
Диаметр каждого ТЭНа — 8,5 мм
Мощность одного ТЭНа — 3,33 кВт
Напряжение — 220 В
Размер фланца — G2

Принцип работы ТЭНа

Знание конструкции ТЭНа необходимо для понимания принципа его работы. Спираль, расположенная внутри теплового нагревательного элемента, специально изготовляется из термоэлектрического сплава. Это свойство позволяет ей проводить через себя электрический ток, сильно нагреваясь, но не расплавляясь при этом. Материал, который окружает спираль — диэлектрик, и благодаря ему тепло не только отлично передается в соседние среды, но и распределяется по ней, что обеспечивает равномерное прогревание металлической оболочки, и, как следствие, рабочей среды ТЭНа.

Как заменить

Иногда проще потратить небольшую сумму и произвести замену, чем почистить трубчатый электронагреватель.

ТЭН для водонагревателя – это расходная деталь. Со временем может понадобиться его проверка или замена.

Поэтому отправляясь в магазин за новым приобретением, учтите следующие пункты:

Не надейтесь, что продавцы подберут верно нужную деталь только исходя из вашего словесного описания. Существует огромное множество нагревательных элементов, и если вы не будете иметь при себе технический паспорт водонагревательной конструкции, то попросту растеряетесь перед выбором.
Посмотрите, чтобы в комплект к трубчатому электронагревателю входил .

Обратное подключение ТЭНа в водонагревателе стоит проводить очень внимательно и аккуратно, чтобы не возникло лишних проблем в виде протечки конструкции.

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.

Установка проточного водонагревателя

В целом схема подключения проточного водонагревателя аналогична схеме подключения накопительного, хотя и имеет несколько существенных отличий.

Подключение к электросети

Несмотря на то, что подключение прибора к электросети выполняется в последнюю очередь, мы поговорим о ней в самом начале. В отличие от накопительных приборов, которые могут быть включены в общую электрическую сеть, проточные водонагреватели требуют отдельной линии с защитным автоматом. В связи с этим большинство приборов даже не оснащены электрической вилкой. Так что если такая линия не проведена к месту установки, её следует проложить до начала работ по монтажу прибора.

Проточный водонагреватель обязательно должен быть заземлён.

Крепление на стену

Поскольку проточные водонагреватели существенно меньше по размеру, чем накопительные и, обладают меньшим весом, вешать их допускается на любую, даже не несущую стену. При их монтаже не обязательно использовать мощные анкера, а достаточно будет обойтись обычными дюбель-гвоздями со специальными наконечниками.

Дюбель-гвоздь с наконечником для подвеса

Подключение к водопроводу

Подключение проточного водонагревателя к водопроводу осуществляется так же, как и подключение накопительного. Редуктор давления, а также предохранительный клапан в данном случае не понадобятся.

Допускается подключение проточного водонагревателя и без запорной арматуры, то есть на входной патрубок прибора (обозначен синим цветом) с помощью пластиковой трубы или гибкого шланга подаётся холодная вода, а из выходного (обозначен красным цветом) делается отвод непосредственно к точке потребления.

Подключение проточного водонагревателя к водопроводу осуществляется так же, как и подключение накопительного

После подключения к водопроводу всю систему нужно протестировать на наличие течей. Делается это так же, как и в случае с накопительным нагревателем, но кран горячей воды во время проверки не закрывают.

В заключении скажем, что использовать проточный водонагреватель при слабом напоре категорически не рекомендуется, поскольку это грозит перегревом тенов и выходу прибора из строя или даже более серьёзным последствиям.

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:

диаметр оболочки тэн
материал оболочки тэн
среда эксплуатации
развернутая длина трубки тэн
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.

Описание технических характеристик электронагревателя

Описание технических характеристик располагается на расстоянии от начала трубки, обычно отступают более 7 см. Качество маркировки – одно из подтверждений качества продукции. На подделке, как правило, её нет или надпись неразборчиво и криво выбита. Текст должен быть ровным, чётким, хорошо читаемым.

У проверенных производителей маркировка не должна вызывать сомнений, так как перед этим продукция многократно проходит проверки на качество и соответствие заявленным характеристикам. Однако, если вы все-таки хотите проверить точность указанных характеристик, например, мощность нагревателя, измерьте сопротивление на контактах с помощью мультиметра. Пользуясь полученным результатом, найдите по формуле мощность:

U2 / R,

где U – имеющееся напряжение, R – сопротивление.

Итоги

Устройство ТЭНа

– продукт многолетней разработки. Долгий путь его создания привел к тому, что конструкция трубчатого нагревательного элемента позволяет получить максимум тепла при минимальных затратах и вложениях, недостатки этого типа нагревательных элементов весьма условны и легко решаемы, а расчеты, необходимые для корректной эксплуатации, просты в выполнении.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Заказать изготовление ЗАДАТЬ ВОПРОС

Возможные неисправности

Даже если регулярно чистить ТЭН и бак от накипи, через некоторое время нагреватель повредится, а контакты могут быть оголены. Понять это можно по постоянно срабатывающему УЗО, а также покалыванию в пальцах при мытье рук. Если накипь полностью закрыла нагревательный элемент, при открытом кране в баке будет слышен грохот, щелчки, может появиться запах серы.

Испорченный ТЭН нужно менять. Пользоваться нагревателем, работающим с перерывами и перебоями, нельзя.

Причины проверить ТЭН:

Регулярно срабатывает автоматический выключатель – происходит перенагрузка из-за необходимости прогревать слой накипи.
Если на корпус подается электроток, срабатывает УЗО.
Управляющий узел бойлера постоянно выключается.
Работа предохранительного клапана нарушена, он срабатывает, его нужно нажимать.

Валера

Голос строительного гуру

Задать вопрос

От возникновения накипи предупреждает магниевый анод, который со временем уменьшается. Его располагают на фланце, где крепится ТЭН. Анод нужно регулярно менять во время чистки бойлера, чтобы отсрочить пробой нагревательного элемента.

Если вода жесткая, накипь образуется очень быстро

Основные неполадки нагревательной трубки:

Обрывается спираль. Она может перегореть во время короткого замыкания в сети. Электроцепь водонагревателя размыкается, агрегат не работает.
Утечка электрического тока на корпус (пробой). Возникает при разрушении изолирующего слоя или оболочки. Обычно срабатывает УЗО, подача электричества на бойлер прекращается.
Скопление накипи на поверхности оболочки. Нерастворимый твердый осадок может быть на трубке, а если не чистить бойлер длительно слой становится толстым. Нагревательный ТЭН и дно бака погребены под толщей накипи.

К порче ТЭНа приводит неисправный термодатчик в водонагревателе. Прибор неправильно контролирует нагревание жидкости, постоянно возникает перегрев. Регулярная работа в таких условиях приводит к разрушению оболочки или самой спирали.

Предупреждают поломки внутреннего нагревателя установкой фильтра непосредственно перед бойлером или предусматривают фильтровальную систему на входе в жилье. Агрегат чистят раз в 6 – 12 месяцев, следят за тем, чтобы магниевый анод менялся вовремя, по мере износа.

Способы диагностики

Целостность трубок проверяют после чистки ТЭНа в кислотном растворе
Проверенный метод заключается в визуальном осмотре во время чистки. ТЭН вынимают, счищают накипь, для этого деталь помещают в уксус или раствор лимонной кислоты на несколько часов, затем проверяют поверхность.

Другие способы проверки:

Мегаомметр. Выявляют небольшие повреждения изолирующей оболочки. Флажок прибора ставят на показатель 50 В. Один контакт соединяют со спиралью, второй крепят к корпусу. ТЭН работает — на экране цифра больше 50.
Тестер. На приборе есть регулятор, поворачивающийся на 360°, его ставят на показатель 200 ОМ. Щупы соединяют с контактами нагревательной трубки. О неисправности говорит появляющееся на мониторе значение 0,1 или значок бесконечности.
Контрольная лампочка. Применяют, если нет тестера. К первому контакту ТЭНа присоединяют сетевой ноль, второй стыкуют с фазой, которая передается через лампу. Светящаяся лампа говорит об исправности элемента.
Авометр. Прекращают подачу электричества на бойлер, снимают защитную крышку, отключают провода от контактов нагревательной трубки. Клеммы прибора соединяют с контактами, смотрят показания на экране, сравнивают со значениями из технического паспорта.
Светодиод, батарейка. Используют севший элемент «Крона» или индикатор из бытового прибора. Светодиод последовательно подсоединяют к питательной батарейке и нагревательной спирали, в цепь включают резистор. Сопротивление изоляции проверяют, отключив схему от ТЭНа, приложив ее к элементу. Светодиод загораться не должен. «Крону» можно заменить зарядкой от телефона.
Индикатор фазы. В розетке выявляют фазовый контакт, присоединяют куском провода к клемме ТЭНа. Об исправности говорит загоревшаяся лампа, если нет — спираль повреждена.

Нестандартный метод заключается в том, что кабель с вилкой подключают к контакту спирали и электрической сети. Работающий ТЭН греется. Проверяют сопротивление наполнителя трубки — один конец провода отключают от спирали при выключенной вилке. Схему собирают второй раз, добавляя предохранитель с силой тока 5 А. Вилку включают и ждут несколько часов. Рабочий ТЭН не даст замыкания на корпус.

Валера

Голос строительного гуру

Задать вопрос

Бывает, что изоляция спирали портится, а ток идет на корпус бойлера. Чтобы определить сопротивление ТЭНа водонагревателя, применяют мегаомметр. Мультиметр не справится с измерением, т. к. отсутствует короткое замыкание на стенки бака. Если в ветке на бойлер стоит УЗО, величина тока утечки может послужить причиной для его срабатывания. УЗО отключает систему, начиная с половины показания отключающего номинального дифференциального тока.