Електрически нагревателни елементи, нагревателни елементи, видове, дизайни, свързване и тестване

Електрическите нагревателни елементи се използват в домакинството и промишленото оборудване. Използването на различни нагреватели е известно на всички. Това са електрически печки, фурни и фурни, електрически кафемашини, електрически чайници и отоплителни уреди с различен дизайн.

Електрически бойлери, обикновено наричани котли, също съдържат нагревателни елементи. Основата на много нагревателни елементи е проводник с високо електрическо съпротивление. И най-често тази жица е направена от нихром.

Отворена нихромова спирала

Най-старият нагревателен елемент е може би обичайната спирала от нихром. Някога се използваха домашни електрически печки, бойлери и бойлери. Наличието на ръка нихромен проводник, който можеше да се „хване“ в производството, правенето на спирала с необходимата мощност не представляваше никакви проблеми.

Краят на жицата с необходимата дължина се вкарва в разреза на лебедката, самата жица се прекарва между два дървени блока. Подемникът трябва да бъде закрепен така, че цялата конструкция да се държи както е показано на фигурата. Силата на затягане трябва да бъде такава, че жицата да премине през прътите с известно усилие. Ако силата на затягане е голяма, тогава телта просто ще се счупи.

Фигура 1. Нихромна спирална намотка

Чрез завъртане на яката жицата се изтегля през дървените пръти и внимателно, обърнете се, за да се обърне, се полага върху метален прът. В арсенала на електротехниците имаше цял набор гаечни ключове с различен диаметър от 1,5 до 10 мм, което даваше възможност за навиване на спирали за всички случаи.

Беше известно какъв диаметър е жицата и каква дължина е необходима за навиване на спиралата с необходимата мощност. Тези вълшебни числа все още могат да бъдат намерени в Интернет. Фигура 2 показва таблица, която показва данни за спирали с различен капацитет при захранващо напрежение 220V.

Фигура 2. Изчисляване на електрическата спирала на нагревателния елемент (кликнете върху снимката, за да я увеличите)

Тук всичко е просто и ясно. Като се има предвид необходимата мощност и диаметърът на нихромния проводник, наличен под ръка, остава само да отрежете парче с желаната дължина и да го навиете на дорник със съответния диаметър. В същото време таблицата показва дължината на получената спирала. И какво ще стане, ако има тел с диаметър, който не е посочен в таблицата? В този случай спиралата просто ще трябва да бъде изчислена.

Как да изчислим спирала на нихром

Ако е необходимо, изчислението на спиралата е съвсем просто. Като пример, изчисляването на спирала, изработена от нихромен проводник с диаметър 0,45 мм (няма такъв диаметър в таблицата) с мощност 600 W за напрежение 220V. Всички изчисления се извършват според закона на Ом.

За това как да преобразувате ампери във ватове и, обратно, ватове в ампери:

Колко ампера са в ампери, как да преобразувате ампери във ватове и киловати

Първо, трябва да изчислите тока, консумиран от спиралата.

I = P / U = 600/220 = 2,72 A

За да направите това, достатъчно е да разделите зададената мощност на напрежение и да получите количеството ток, преминаващ през спиралата. Мощността във ватове, напрежението във волта води до ампер. Всичко според системата SI.

Използвайки сега известния ток, е доста просто да се изчисли необходимото съпротивление на спиралата: R = U / I = 220 / 2,72 = 81 Ома

Формулата за изчисляване на съпротивлението на проводник е R = ρ * L / S,

където ρ е специфичното съпротивление на проводника (за нихром 1,0 ÷ 1,2 Ohm • mm2 / m), L е дължината на проводника в метри, S е напречното сечение на проводника в квадратни милиметри. За проводник с диаметър 0,45 mm напречното сечение е 0,159 mm2.

Следователно L = S * R / ρ = 0,159 * 81 / 1,1 = 1170 mm, или 11,7 m.

Като цяло изчислението не е толкова сложно.Всъщност производството на спирала не е толкова трудно, което несъмнено е предимството на обикновените нихромни спирали. Но това предимство е блокирано от много недостатъци, присъщи на отворените спирали.

На първо място, това е доста висока температура на нагряване - 700 ... 800˚C. Загрятата спирала има бледо червено сияние, случайното докосване до нея може да причини изгаряне. Освен това е възможен токов удар. Зачервена спирала изгаря кислорода на въздуха, привлича прахови частици към себе си, които при изгаряне придават много неприятен аромат.

Но основният недостатък на отворените спирали трябва да се счита за високата им опасност от пожар. Следователно пожарната служба просто забранява използването на нагреватели с отворена спирала. Такива нагреватели, на първо място, включват така наречената "коза", чийто дизайн е показан на фигура 3.

Фигура 3. Домашен котел нагревател

Ето как се оказа дивата "коза": нарочно е направена небрежно, просто, дори много зле. Пожар с такъв нагревател няма да трябва да чака дълго. По-усъвършенстваният дизайн на такъв нагревател е показан на фигура 4.

Фигура 4. Дом "Коза"

Лесно е да се види, че спиралата е затворена от метален корпус, това е, което предотвратява докосването до нагряти части от части на ток. Опасността от пожар на такова устройство е много по-малка от тази, показана на предишната фигура.

Вижте тази тема:Защо са опасни "козата" и домашно приготвен котел?

Някога в СССР се произвеждаха нагреватели-рефлектори. В центъра на никелирания отражател имаше керамичен патрон, в който подобно на крушка с капачка E27 беше завит нагревател с мощност 500 W. Опасността от пожар на такъв отражател също е много висока. Е, някак не си мислех в онези дни до какво може да доведе използването на такива нагреватели.

Фигура 5. Reflex нагревател

Съвсем очевидно е, че различни нагреватели с отворена спирала могат, противно на изискванията на противопожарната инспекция, да се използват само при бдително наблюдение: ако излезете от помещението - изключете нагревателя! Още по-добре е просто да се откажете от използването на нагреватели от този тип.

Затворени спирални нагревателни елементи

За да се отървете от отворена спирала, бяха измислени тръбни електрически нагреватели - TEN. Дизайнът на нагревателя е показан на фигура 6.

Фигура 6. Дизайнът на нагревателя

Нихромната спирала 1 е скрита вътре в тънкостенна метална тръба 2. Спиралата е изолирана от тръбата чрез пълнител 3 с висока топлопроводимост и високо електрическо съпротивление. Периклазата (кристална смес от магнезиев оксид MgO, понякога с примеси от други оксиди) най-често се използва като пълнител.

След като се напълни с изолиращ състав, тръбата се притиска и при високо налягане периклазата се превръща в монолит. След такава операция спиралата е неподвижно фиксирана, следователно електрическият контакт с тялото - тръбата е напълно изключена. Дизайнът е толкова силен, че всеки нагревател може да бъде огънат, ако дизайнът на нагревателя го изисква. Някои нагревателни елементи имат много причудлива форма.

Спиралата е свързана с металните проводници 4, които излизат през изолаторите 5. Оловните проводници са свързани към резбовите краища на отворите 4 с гайки и шайби 7. Нагревателните елементи се закрепват в корпуса на устройството с гайки и шайби 6, които осигуряват, ако е необходимо, плътността на връзката.

При спазване на условията на работа такъв дизайн е доста надежден и издръжлив. Именно това доведе до много широкото използване на нагревателни елементи в устройства за различни цели и дизайни.

Според условията на работа нагревателните елементи са разделени на две големи групи: въздух и вода. Но това е точно това име. Всъщност въздушните нагревателни елементи са проектирани да работят в различни газови среди.Дори обикновеният атмосферен въздух е смес от няколко газове: кислород, азот, въглероден диоксид, има дори примеси на аргон, неон, криптон и др.

Въздушната среда е много разнообразна. Това може да бъде спокоен атмосферен въздух или поток въздух, движещ се със скорост от няколко метра в секунда, както при вентилаторните нагреватели или топлинните пистолети.

Загряването на черупката на нагревателя може да достигне 450 ° C и дори повече. Поради това за производството на външната тръбна обвивка се използват различни материали. Тя може да бъде обикновена въглеродна стомана, неръждаема стомана или топлоустойчива, термоустойчива стомана. Всичко зависи от околната среда.

За да се подобри топлопредаването, някои нагревателни елементи са оборудвани с ребра на тръбите под формата на навита метална лента. Такива нагреватели се наричат ​​перки. Използването на такива елементи е най-подходящо в движеща се въздушна среда, например в вентилаторни нагреватели и топлинни пистолети.

Водогрейните елементи също не се използват задължително във вода, това е общото наименование за различни течни среди. Това може да бъде масло, мазут и дори различни агресивни течности. Течен ДЕСЕТ използван в електрически котли, дестилатори, електрически инсталации за обезсоляване и само титани за вряща питейна вода.

Топлопроводимостта и топлинният капацитет на водата е много по-висока от тази на въздуха и други газообразни среди, което осигурява, в сравнение с въздуха, по-добро, по-бързо отстраняване на топлината от нагревателя. Следователно, със същата електрическа мощност, бойлерът има по-малки геометрични размери.

Тук можем да дадем прост пример: когато кипне вода в обикновена електрическа кана, нагревателят може да се нажежи и след това да изгори до дупки. Същата картина може да се наблюдава и с обикновени котли, предназначени да кипят вода в чаша или в кофа.

Даденият пример ясно показва, че водни нагревателни елементи никога не трябва да се използват за работа във въздуха. Можете да използвате въздушни нагревателни елементи за загряване на водата, но просто трябва да изчакате дълго време, докато водата заври.

Не в полза на водните нагревателни елементи ще бъде слой от мащаб, образуван по време на работа. Скалата по правило има пореста структура и нейната топлопроводимост е малка. Следователно топлината, генерирана от спиралата, преминава в течността слабо, но спиралата вътре в нагревателя се нагрява до много висока температура, което рано или късно ще доведе до неговото изгаряне.

За да не се случи това, препоръчително е периодично да почиствате нагревателните елементи, като използвате различни химикали. Например, в телевизионна реклама, Calgon се препоръчва за защита на нагреватели на перални машини. Въпреки че за този инструмент има много различни мнения.

Как да се отървем от мащаба

В допълнение към химикалите за защита от мащаб се използват различни устройства. На първо място, това са магнитни преобразуватели на вода. В мощно магнитно поле кристалите от "твърди" соли променят своята структура, превръщат се в люспи, стават по-малки. Скалата е по-малко активна от такива люспи; повечето от люспите просто се отмиват от струя вода. Това гарантира защитата на нагревателите и тръбопроводите от мащаб. Магнитните филтърни преобразуватели се произвеждат от много чуждестранни компании, такива компании съществуват в Русия. Такива филтри се предлагат както вразен, така и надземен тип.

Електронни омекотители за вода

Напоследък електронните омекотители за вода стават все по-популярни. Външно всичко изглежда много просто. На тръбата е инсталирана малка кутия, от която излизат проводниците на антената. Проводниците се навиват около тръбата и дори не е нужно да отлепвате боята. Устройството може да бъде инсталирано на всяко достъпно място, както е показано на Фигура 7.

Фигура 7. Електронен омекотител за вода

Единственото нещо, което трябва да свържете устройството, е 220V гнездо.Устройството е проектирано за дългосрочно включване, не е необходимо периодично да се изключва, тъй като изключването ще доведе до това, че водата отново ще стане твърда, отново ще се образува мащаб.

Принципът на работа на устройството се свежда до излъчването на вибрации в диапазона на ултразвукови честоти, които могат да достигнат до 50KHz. Честотата на трептенията се управлява с помощта на контролния панел на устройството. Излъчването се произвежда на партиди няколко пъти в секунда, което се постига с помощта на вградения микроконтролер. Силата на колебанията е малка, следователно такива устройства не представляват никаква заплаха за човешкото здраве.

Целесъобразността на инсталирането на такива устройства се определя лесно. Всичко се свежда до определяне колко силно тече водата от водопровода. Тук дори не се нуждаете от никакви успокояващи уреди: ако кожата ви стане суха след измиване, на плочката се появяват бели петна от вода, в чайника се появява котлен камък, пералнята се изтрива по-бавно, отколкото в началото на работа - твърдата вода определено тече от чешмата. Всичко това може да доведе до повреда на нагревателните елементи, и следователно самите чайници или перални машини.

Твърдата вода не разтваря различни перилни препарати - от обикновените сапуни до супермодните перилни препарати. В резултат на това трябва да поставите повече прахове, но това помага малко, тъй като кристалите на соли за твърдост се задържат в тъканите, качеството на измиване оставя много да се желае. Всички изброени признаци на твърдост на водата красноречиво показват, че е необходимо да се инсталират омекотители за вода.

Свързване и проверка на нагревателни елементи

При свързване на нагревателя трябва да се използва проводник с подходящо напречно сечение. Всичко зависи от тока, протичащ през нагревателя. Най-често са известни два параметъра. Това е силата на самия нагревател и захранващото напрежение. За да се определи тока, достатъчно е да се раздели мощността на захранващото напрежение.

Прост пример. Нека има нагревателен елемент с мощност 1 кВт (1000 W) за захранващо напрежение 220V. За такъв нагревател се оказва, че токът е

I = P / U = 1000/220 = 4.545A.

Според таблиците, поставени в PUE, такъв ток може да осигури проводник с напречно сечение 0,5 mm2 (11A), но за да се осигури механична якост, е по-добре да се използва жица със сечение най-малко 2,5 mm2. Точно такъв проводник най-често се доставя с електричество до търговски обекти.

Но преди да направите връзката, трябва да се уверите, че дори новият, току-що закупен TEN е в добро състояние. На първо място е необходимо да се измери неговата устойчивост и да се провери целостта на изолацията. Съпротивлението на нагревателния елемент е доста просто да се изчисли. За да направите това, е необходимо да се квадратира захранващото напрежение и да се раздели по мощност. Например за 1000W нагревател, това изчисление изглежда така:

220 * 220/1000 = 48,4 ohm.

Такова съпротивление трябва да бъде показано от мултицет, когато го свързвате към клемите на нагревателя. Ако спиралата е счупена, тогава, естествено, мултицетът ще покаже пробив. Ако вземем нагревателен елемент с различна мощност, тогава съпротивлението, разбира се, ще бъде различно.

За да проверите целостта на изолацията, измерете съпротивлението между някой от клемите и металния корпус на нагревателя. Съпротивлението на пълнителя-изолатор е такова, че при всяка граница на измерване мултиметърът трябва да показва прекъсване. Ако се окаже, че съпротивлението е нулево, тогава спиралата има контакт с металния корпус на нагревателя. Това може да се случи дори и с нов, току-що купен от нагревателен елемент.

Обикновено се използва за изпитване на изолация специално устройство за мегаомметър, но не винаги и не всички го имат под ръка. Така че нормален мултицетов тест също е доста подходящ. Поне такава проверка трябва да се направи.

Както вече споменахме, нагревателните елементи могат да бъдат огънати дори след пълнене с изолатор. Има различни видове нагреватели: под формата на права тръба, U-образна, навита на пръстен, змия или спирала.Всичко зависи от устройството на отоплителното устройство, в което се очаква да бъде монтиран нагревателят. Например в течащ бойлер на пералня TENs са усукани в спирала.

Някои TENY имат елементи на защита. Най-простата защита е термичен предпазител. Е, ако изгори, тогава трябва да смените целия нагревател, но няма да стигне до огъня. Има по-сложна система за защита, която позволява използването на нагревател след неговата работа.

Една от тези защити е защита на базата на биметална плоча: топлината от прегрят нагревателен елемент огъва биметалната плоча, която отваря контакта и деактивира нагревателния елемент. След като температурата спадне до приемлива стойност, биметалната плоча се разширява, контактът се затваря и нагревателят е готов за работа отново.

ТЕНИ с регулатор на температурата

При липса на подаване на топла вода е необходимо да се използват котли. Дизайнът на котлите е доста прост. Това е метален контейнер, скрит в "кожено палто" от топлоизолатор, отгоре е декоративен метален калъф. В корпуса е вграден термометър, който показва температурата на водата. Дизайнът на котела е показан на фигура 8.

Фигура 8. Котел за съхранение

Някои котли съдържат магнезиев анод. Предназначението му е защита от корозия на нагревателя и вътрешния резервоар на котела. Магнезиевият анод е консуматив, той трябва периодично да се променя по време на поддръжката на котела. Но в някои котли, очевидно от евтина ценова категория, такава защита не се предоставя.

Като нагревателен елемент в котлите се използва нагревател с регулатор на температурата, дизайнът на един от тях е показан на фигура 9.

Фигура 9. TEN с регулатор на температурата

В пластмасовата кутия се намира микропревключвател, който се задейства от сензор за температура на течността (директна тръба до нагревателя). Формата на самия нагревател може да бъде най-разнообразна, фигурата показва най-простата. Всичко зависи от мощността и дизайна на котела. Степента на нагряване се контролира от позицията на механичния контакт, контролиран от бяла кръгла дръжка, разположена в долната част на кутията. Има и клеми за подаване на електрически ток. Нагревателят е закрепен с конец.

Мокри и сухи нагреватели

Такъв нагревател е в пряк контакт с вода, така че този нагревател се нарича "мокър". Срокът на експлоатация на "мокър" нагревателен елемент е в рамките на 2 ... 5 години, след което той трябва да бъде сменен. По принцип експлоатационният живот е кратък.

За да увеличи експлоатационния живот на нагревателния елемент и на целия котел като цяло, френската компания Atlantic през 90-те години на миналия век разработи дизайна на „сух“ нагревателен елемент. По-просто казано, нагревателят беше скрит в метална защитна колба, която изключваше директен контакт с вода: нагревателният елемент се нагрява вътре в колбата, която предава топлина на водата.

Естествено, температурата на колбата е много по-ниска от самия нагревателен елемент, следователно образуването на котлен камък със същата твърдост на водата не е толкова интензивно, повече вода се прехвърля във водата. Срокът на експлоатация на такива нагреватели достига 10 ... 15 години. Това важи за добрите работни условия, особено за стабилността на захранващото напрежение. Но дори и при добри условия „сухите“ нагревателни елементи също произвеждат свои собствени ресурси и те трябва да бъдат променени.

Тук се разкрива още едно предимство на технологията за „сух“ нагревателен елемент: при подмяна на нагревателя няма нужда да се източва водата от котела, за което тя трябва да бъде изключена от тръбопровода. Просто изключете нагревателя и го заменете с нов.

Atlantic, разбира се, патентова своето изобретение, след което започна да продава лиценза на други компании. Понастоящем други компании, например Electrolux и Gorenje, също произвеждат котли с „сух“ нагревателен елемент. Дизайнът на котела със „сух“ нагревателен елемент е показан на фигура 10.

Фигура 10. Котел със „сух“ нагревател

Между другото, на фигурата е показан бойлер с керамичен стеатитен нагревател. Устройството на такъв нагревател е показано на фигура 11.

Фигура 11. Керамичен нагревател

Върху керамичната основа е фиксирана конвенционална отворена спирала от жица с високо съпротивление. Температурата на нагряване на спиралата достига 800 градуса и се пренася в околната среда (въздух под защитна обвивка) чрез конвекция и топлинно излъчване. Естествено, такъв нагревател, който се прилага за котлите, може да работи само в защитна обвивка, на въздух, директният контакт с вода е просто изключен.

Спиралата може да бъде навита в няколко секции, което се доказва от наличието на няколко терминала за свързване. Това ви позволява да промените мощността на нагревателя. Максималната специфична мощност на такива нагреватели не надвишава 9W / cm².

Условието за нормалната работа на такъв нагревател е липсата на механични натоварвания, огъвания и вибрации. Повърхността не трябва да се замърсява от ръжда или петна от масло. И, разбира се, колкото по-стабилно е захранващото напрежение, без скокове и скокове, толкова по-издръжлив е нагревателят.

Но електрическата технология не стои неподвижна. Технологиите се развиват, подобряват, поради което в допълнение към нагревателните елементи в момента се разработват и успешно се използват голямо разнообразие от нагревателни елементи. Това са керамични нагревателни елементи, въглеродни нагревателни елементи, инфрачервени нагревателни елементи, но това ще бъде темата за друга статия.

Продължение на статията:Модерни нагревателни елементи