Применение трубчатых электронагревателей в производстве

Трубчатые электронагреватели (далее, сокр. – ТЭНы) применяются в производстве в качестве нагревательных элементов в производственных установках. ТЭНы состоят из металлической трубки, внутри которой находятся одна или несколько электрических спиралей.

От оболочки спираль изолируют спрессованным электроизоляционным наполнителем. От попадания влаги внутрь торцы ТЭНа герметизируют. Контактные стержни изолируют от корпуса диэлектрическими изоляторами. Спирали ТЭНов изготавливаются из сплавов, имеющих высокое Омическое сопротивление.

Максимальная мощность ТЭНов зависит от: развернутой длины (см), диаметра (мм), площади обогреваемой среды (Вт/см2), напряжения (В).

Преимущества. Главное преимущество трубчатых электронагревателей перед другими типами нагревателей в том, что их можно использовать для нагревания в самых различных средах – газообразных, жидких, твердых. Формы трубчатых электронагревателей могут быть самые разные – прямые, изогнутые или под заказ по эскизам заказчика.

Виды ТЭНов:

Какое освещение Вы предпочитаете

ВстроенноеЛюстра

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).

Подключение и проверка трубчатых электрических нагревателей

При подключении ТЭНа должен использоваться провод соответствующего сечения. Здесь все зависит от тока, протекающего через ТЭН. Лучше всего использовать медный провод в двойной изоляции сечением жилы в 2.5 мм. кв.

Перед подключением нагревателя, необходимо убедиться в его исправности, даже только что купленного ТЭНа. Прежде всего, надо измерить его сопротивление и проверить целостность изоляции. Сопротивление нагревателя 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 ТЭН имеет другую мощность, то и сопротивление, естественно, будет другим.

Для проверки целостности изоляции следует измерить сопротивление между любым из выводов и металлическим корпусом нагревателя. 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.

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.

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.

Предназначение отопительных ТЭНов

Электрические ТЭНы снискали популярность благодаря своей универсальности и высокому КПД. Вся потребляемая ими электроэнергия расходуется по прямому назначению – на обогрев окружающего пространства.

Основными отопительными приборами, где используются ТЭНы являются:

1. Переносные и стационарные масляные электрообогреватели.
2. Водяные радиаторы отопления.
3. Полотенцесушители для ванной.
4. Электрокамины.
5. Электроконвекторы.
6. Электрические котлы.

Указанное оборудование может использоваться в качестве основного или дополнительного источника обогрева. Стоит оно недорого, легко монтируется и не требует специальных навыков при эксплуатации.

Подключить ТЭН к чугунному радиатору центрального отопления можно после отсоединения общего стояка. Такой прибор можно использовать для основного и дополнительного обогрева

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.

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.

Дополнительные функции электронагревателей

Выше были рассмотрены простейшие конструкции приборов, которые не имеют каких-либо встроенных регулировочных механизмов.

Блок терморегуляции может иметь механическую или электронную автоматику. Последняя более точна, но требовательна к параметрам домашней электросети

Но электрические водонагреватели могут оборудоваться простейшей автоматикой, обеспечивающей устройству дополнительные функции.

К таковым относятся:

1. Терморегуляция. ТЭНы со встроенным терморегулятором для отопления имеют датчик температуры, который срабатывает при нагреве рабочей среды до определенного уровня. Регулировка электронагревателя происходит с наружной стороны фланца.
2. Антизамерзание. Эта функция обеспечивается упрощенным терморегулятором, который срабатывает только при понижении температуры до 0-2°C. Она препятствует замерзанию воды в трубах отопления, потребляя минимум электроэнергии.
3. Турбонагрев, который обеспечивает форсированный нагрев рабочей среды при первоначальном пуске оборудования. Необходимо помнить, что электропроводка помещения должна выдержать кратковременное повышение мощности.

Приборов, поддерживающих дополнительные функции, не так много, потому что зачастую регулирование работы отопительных приборов в целом производится с помощью отдельного блока автоматики.