Elektryczne elementy grzejne, elementy grzejne, rodzaje, projekty, połączenia i testowanie

Elektryczne elementy grzejne stosuje się w sprzęcie domowym i przemysłowym. Zastosowanie różnych grzejników jest znane wszystkim. Są to kuchenki elektryczne, piekarniki i piekarniki, elektryczne ekspresy do kawy, czajniki elektryczne i urządzenia grzewcze o różnych wzorach.

Elektryczne podgrzewacze wody, powszechnie zwane kotły, zawierają również elementy grzejne. Podstawą wielu elementów grzewczych jest drut o wysokiej rezystancji elektrycznej. I najczęściej ten drut jest wykonany z nichromu.

Otwarta spirala nichromowa

Najstarszym elementem grzewczym jest być może zwykła spirala nichromowa. Dawno, dawno temu używane były domowe kuchenki elektryczne, kotły wodne i grzejniki kozie. Posiadanie drutu nichromowego, który mógłby „zdobyć” w produkcji, wykonanie spirali wymaganej mocy nie stanowiło żadnego problemu.

Koniec drutu o wymaganej długości jest wkładany do wycięcia wciągarki, sam drut jest przepuszczany między dwoma drewnianymi blokami. Imadło musi być zaciśnięte, aby cała konstrukcja była utrzymana, jak pokazano na rysunku. Siła zaciskająca musi być taka, aby drut z pewnym wysiłkiem przechodził przez pręty. Jeśli siła zaciskania jest duża, drut po prostu pęknie.

Rysunek 1. Spiralne uzwojenie Nichrome

Obracając kołnierz, drut jest przeciągany przez drewniane pręty i ostrożnie, kolejno po kolei, jest układany na metalowym pręcie. W arsenale elektryków znajdował się cały zestaw kluczy o różnych średnicach od 1,5 do 10 mm, co umożliwiło zwijanie spirali na każdą okazję.

Wiadomo, jaka jest średnica drutu i jaka długość jest wymagana do nawijania spirali o wymaganej mocy. Te magiczne liczby wciąż można znaleźć w Internecie. Rysunek 2 pokazuje tabelę, która pokazuje dane dotyczące spiral o różnych pojemnościach przy napięciu zasilania 220 V.

Rysunek 2. Obliczanie spirali elektrycznej elementu grzejnego (kliknij zdjęcie, aby powiększyć)

Tutaj wszystko jest proste i jasne. Po ustawieniu wymaganej mocy i średnicy drutu nichromowego pozostaje tylko wyciąć kawałek o pożądanej długości i owinąć go na trzpieniu o odpowiedniej średnicy. W tym samym czasie tabela pokazuje długość powstałej spirali. A jeśli jest drut o średnicy nieokreślonej w tabeli? W takim przypadku spirala będzie musiała zostać obliczona.

Jak obliczyć spiralę nichromową

Jeśli to konieczne, obliczyć spiralę jest dość prosta. Na przykład obliczenie spirali wykonanej z drutu nichromowego o średnicy 0,45 mm (tej średnicy nie ma w tabeli) o mocy 600 W dla napięcia 220 V. Wszystkie obliczenia są wykonywane zgodnie z prawem Ohma.

Informacje o konwertowaniu amperów na waty i odwrotnie, watów na amperach:

Ile amperów jest w amperach, jak przeliczać ampery na waty i kilowaty

Najpierw należy obliczyć prąd pobierany przez spiralę.

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

Aby to zrobić, wystarczy podzielić ustawioną moc przez napięcie i uzyskać prąd przepływający przez spiralę. Moc w watach, napięcie w woltach, skutkują amperami. Wszystko zgodnie z systemem SI.

Używając znanego obecnie prądu, dość łatwo jest obliczyć wymagany opór spirali: R = U / I = 220 / 2,72 = 81 Ohm

Wzór na obliczenie rezystancji przewodnika wynosi R = ρ * L / S,

gdzie ρ jest rezystancją właściwą przewodnika (dla nichromu 1,0 ÷ 1,2 Ohm • mm2 / m), L jest długością przewodu w metrach, S jest przekrojem przewodu w milimetrach kwadratowych. Dla przewodu o średnicy 0,45 mm przekrój wynosi 0,159 mm2.

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

Ogólnie obliczenia nie są tak skomplikowane.Tak, w rzeczywistości produkcja spirali nie jest tak trudna, co niewątpliwie jest zaletą zwykłych spiral nichromowych. Ta zaleta jest jednak blokowana przez wiele niedociągnięć związanych z otwartymi spiralami.

Przede wszystkim jest to dość wysoka temperatura ogrzewania - 700 ... 800˚C. Podgrzana spirala ma słaby czerwony blask, przypadkowe dotknięcie może spowodować oparzenie. Ponadto możliwy jest porażenie prądem. Rozpalona do czerwoności spirala wypala tlen z powietrza, przyciąga do siebie cząsteczki kurzu, które po wypaleniu dają bardzo nieprzyjemny aromat.

Ale główną wadą otwartych spiral należy uznać ich wysokie zagrożenie pożarowe. Dlatego straż pożarna po prostu zabrania używania grzejników z otwartą spiralą. Takie grzejniki obejmują przede wszystkim tak zwaną „kozę”, której konstrukcja pokazano na ryc. 3.

Rysunek 3. Domowy podgrzewacz kóz

Tak właśnie wyglądała dzika „koza”: została celowo wykonana niedbale, po prostu, a nawet bardzo źle. Pożar z takim grzejnikiem nie będzie musiał długo czekać. Bardziej zaawansowana konstrukcja takiego grzejnika pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Dom „Koza”

Łatwo zauważyć, że spirala jest zamknięta metalową obudową, która zapobiega dotykaniu rozgrzanych części części pod napięciem. Zagrożenie pożarowe takiego urządzenia jest znacznie mniejsze niż pokazane na poprzednim rysunku.

Zobacz ten temat:Dlaczego „koza” i domowy kocioł są niebezpieczne?

Dawno, dawno temu w ZSRR produkowano grzejniki-reflektory. Pośrodku niklowanego reflektora znajdował się wkład ceramiczny, do którego, podobnie jak żarówka z trzonkiem E27, wkręcono grzejnik o mocy 500 W. Zagrożenie pożarowe takiego odbłyśnika jest również bardzo wysokie. Cóż, jakoś w tamtych czasach nie myślałem, do czego może doprowadzić użycie takich grzejników.

Rysunek 5. Grzejnik refleksyjny

Oczywiste jest, że różne grzejniki z otwartą spiralą mogą, wbrew wymogom kontroli przeciwpożarowej, być używane tylko pod czujnym nadzorem: jeśli wyjdziesz z pokoju - wyłącz grzejnik! Jeszcze lepiej, po prostu zrezygnuj z używania grzejników tego typu.

Zamknięte spiralne elementy grzejne

Aby pozbyć się otwartej spirali, wymyślono rurowe grzejniki elektryczne - TEN. Konstrukcja grzejnika pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Konstrukcja grzejnika

Spirala nichromowa 1 jest schowana w cienkościennej metalowej rurce 2. Spirala jest izolowana od rurki wypełniaczem 3 o wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej rezystancji elektrycznej. Peryklaz (krystaliczna mieszanina tlenku magnezu MgO, czasami z zanieczyszczeniami innych tlenków) jest najczęściej stosowana jako wypełniacz.

Po napełnieniu kompozycją izolacyjną rurkę prasuje się i pod wysokim ciśnieniem peryklaza zamienia się w monolit. Po takiej operacji spirala jest sztywno zamocowana, dlatego kontakt elektryczny z korpusem - rurką jest całkowicie wykluczony. Konstrukcja jest tak mocna, że ​​każda grzałka może być zgięta, jeśli wymaga tego konstrukcja grzałki. Niektóre elementy grzejne mają bardzo dziwny kształt.

Spirala jest połączona z metalowymi wyprowadzeniami 4, które wychodzą przez izolatory 5. Przewody są połączone z gwintowanymi końcami wyprowadzeń 4 za pomocą nakrętek i podkładek 7. Elementy grzejne są mocowane w korpusie urządzenia za pomocą nakrętek i podkładek 6, które zapewniają, w razie potrzeby, szczelność połączenia.

Przy zachowaniu warunków pracy taka konstrukcja jest dość niezawodna i trwała. Właśnie to doprowadziło do bardzo powszechnego zastosowania elementów grzejnych w urządzeniach do różnych celów i projektów.

W zależności od warunków pracy elementy grzejne są podzielone na dwie duże grupy: powietrze i wodę. Ale to tylko takie imię. W rzeczywistości elementy nagrzewające powietrze są zaprojektowane do pracy w różnych środowiskach gazowych.Nawet zwykłe powietrze atmosferyczne jest mieszaniną kilku gazów: tlenu, azotu, dwutlenku węgla, są nawet zanieczyszczenia argonem, neonem, kryptonem itp.

Środowisko powietrza jest bardzo zróżnicowane. Może to być spokojne powietrze atmosferyczne lub strumień powietrza poruszający się z prędkością kilku metrów na sekundę, jak w wentylatorach lub pistoletach grzewczych.

Ogrzewanie płaszcza grzejnika może osiągnąć 450 ° C, a nawet więcej. Dlatego do produkcji zewnętrznej rurowej powłoki stosuje się różne materiały. Może to być zwykła stal węglowa, stal nierdzewna lub żaroodporna, żaroodporna stal. Wszystko zależy od środowiska.

Aby poprawić przenoszenie ciepła, niektóre elementy grzejne są wyposażone w żebra na rurkach w postaci nawiniętej taśmy metalowej. Takie grzejniki nazywane są żebrami. Zastosowanie takich elementów jest najbardziej odpowiednie w środowisku z ruchomym powietrzem, na przykład w wentylatorach i pistoletach grzewczych.

Elementy podgrzewające wodę niekoniecznie są również stosowane w wodzie; jest to ogólna nazwa różnych mediów płynnych. Może to być olej, olej opałowy, a nawet różne agresywne ciecze. Płynna DZIESIĘĆ stosowany w kotłach elektrycznych, destylatory, elektryczne zakłady odsalania i po prostu tytani do gotowania wody pitnej.

Przewodność cieplna i pojemność cieplna wody jest znacznie wyższa niż w przypadku powietrza i innych mediów gazowych, co zapewnia, w porównaniu z powietrzem, lepsze i szybsze odprowadzanie ciepła z grzejnika. Dlatego przy tej samej mocy elektrycznej podgrzewacz wody ma mniejsze wymiary geometryczne.

Tutaj możemy podać prosty przykład: podczas gotowania wody w zwykłym czajniku elektrycznym grzejnik może być rozgrzany do czerwoności, a następnie spalić się do dziur. Ten sam obraz można zaobserwować w przypadku zwykłych kotłów zaprojektowanych do gotowania wody w szklance lub wiadrze.

Podany przykład wyraźnie pokazuje, że elementy grzewcze w żadnym wypadku nie mogą być używane do pracy w powietrzu. Do podgrzania wody można użyć elementów grzewczych, ale trzeba długo czekać, aż woda się zagotuje.

Niekorzystną cechą podgrzewaczy wody będzie warstwa zgorzeliny utworzona podczas pracy. Skala z reguły ma porowatą strukturę, a jej przewodność cieplna jest niewielka. Dlatego ciepło wytwarzane przez spiralę słabo przechodzi w ciecz, ale spirala wewnątrz grzejnika nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, która prędzej czy później doprowadzi do jej wypalenia.

Aby temu zapobiec, zaleca się okresowe czyszczenie elementów grzejnych za pomocą różnych chemikaliów. Na przykład w reklamie telewizyjnej zaleca się Calgon do ochrony grzejników pralek. Chociaż na temat tego narzędzia istnieje wiele różnych opinii.

Jak pozbyć się kamienia

Oprócz chemikaliów do ochrony przed osadzaniem się kamienia stosuje się różne urządzenia. Przede wszystkim są to magnetyczne konwertery wody. W silnym polu magnetycznym kryształy „twardych” soli zmieniają swoją strukturę, zamieniają się w płatki, stają się mniejsze. Łuska jest mniej aktywna z takich płatków; większość płatków jest po prostu zmywana przez strumień wody. Zapewnia to ochronę grzejników i rurociągów przed osadzaniem się kamienia. Konwertery filtrów magnetycznych są produkowane przez wiele zagranicznych firm, takie firmy istnieją w Rosji. Takie filtry są dostępne zarówno w wersji wpuszczanej, jak i napowietrznej.

Elektroniczne zmiękczacze wody

Ostatnio elektroniczne zmiękczacze wody stają się coraz bardziej popularne. Na zewnątrz wszystko wygląda bardzo prosto. Na rurze jest zainstalowane małe pudełko, z którego wychodzą przewody antenowe. Przewody są owinięte wokół rury, a ty nawet nie musisz odrywać farby. Urządzenie można zainstalować w dowolnym dostępnym miejscu, jak pokazano na rysunku 7.

Rysunek 7. Elektroniczny zmiękczacz wody

Jedyne, czego potrzebujesz, aby podłączyć urządzenie, to gniazdo 220 V.Urządzenie jest przeznaczone do długotrwałego włączania, nie musi być okresowo wyłączane, ponieważ wyłączenie spowoduje ponowne stwardnienie wody, ponownie pojawi się kamień.

Zasada działania urządzenia ogranicza się do emisji drgań w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych, które mogą dochodzić nawet do 50 kHz. Częstotliwość oscylacji jest kontrolowana za pomocą panelu sterowania urządzenia. Promieniowanie jest wytwarzane partiami kilka razy na sekundę, co osiąga się za pomocą wbudowanego mikrokontrolera. Siła fluktuacji jest niewielka, dlatego takie urządzenia nie stanowią żadnego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego.

Celowość zainstalowania takich urządzeń jest łatwa do ustalenia. Wszystko sprowadza się do ustalenia, jak mocno woda wypływa z rury wodnej. Tutaj nie potrzebujesz nawet żadnych „obrzękłych” urządzeń: jeśli po umyciu skóra wyschnie, na kafelku pojawią się białe plamy po rozbryzgach wody, w czajniku pojawi się kamień, pralka ściera się wolniej niż na początku pracy - twarda woda zdecydowanie płynie z kranu. Wszystko to może prowadzić do uszkodzenia elementów grzejnych, a zatem samych czajników lub pralek.

Twarda woda nie rozpuszcza różnych detergentów - od zwykłych mydeł po super modne detergenty do prania. W rezultacie musisz dodać więcej proszków, ale to trochę pomaga, ponieważ kryształy soli twardości są zatrzymywane w tkankach, jakość prania pozostawia wiele do życzenia. Wszystkie wymienione oznaki twardości wody elokwentnie wskazują, że konieczne jest zainstalowanie zmiękczaczy wody.

Podłączanie i weryfikacja elementów grzejnych

Podczas podłączania grzejnika należy zastosować przewód o odpowiednim przekroju. Wszystko zależy od prądu przepływającego przez grzałkę. Najczęściej znane są dwa parametry. Jest to moc samego grzejnika i napięcie zasilania. Aby wyznaczyć prąd, wystarczy podzielić moc przez napięcie zasilania.

Prosty przykład. Niech będzie element grzejny o mocy 1 kW (1000 W) dla napięcia zasilania 220 V. W przypadku takiego grzejnika okazuje się, że prąd jest

I = P / U = 1000/220 = 4,545 A.

Zgodnie z tabelami umieszczonymi w PUE taki prąd może zapewnić drut o przekroju 0,5 mm2 (11A), ale w celu zapewnienia wytrzymałości mechanicznej lepiej jest użyć drutu o przekroju co najmniej 2,5 mm2. Właśnie taki drut jest najczęściej zasilany energią elektryczną do gniazdek.

Ale przed nawiązaniem połączenia upewnij się, że nawet nowy, właśnie zakupiony TEN jest w dobrym stanie. Przede wszystkim należy zmierzyć jego rezystancję i sprawdzić integralność izolacji. Rezystancja elementu grzejnego jest dość prosta do obliczenia. Aby to zrobić, konieczne jest wyrównanie napięcia zasilania i podzielenie przez moc. Na przykład dla grzejnika o mocy 1000 W obliczenia te wyglądają następująco:

220 * 220/1000 = 48,4 oma.

Taki opór powinien pokazać multimetr podczas podłączania go do zacisków grzejnika. Jeśli spirala zostanie zerwana, multimetr oczywiście pokaże przerwanie. Jeśli weźmiesz grzejnik o innej pojemności, wówczas opór będzie oczywiście inny.

Aby sprawdzić integralność izolacji, zmierz rezystancję między dowolnym z zacisków a metalową obudową grzejnika. Rezystancja wypełniacza-izolatora jest taka, że ​​przy dowolnym limicie pomiaru multimetr powinien wykazywać przerwę. Jeśli okaże się, że rezystancja wynosi zero, wówczas spirala ma kontakt z metalową obudową grzejnika. Może się to zdarzyć nawet w przypadku nowego, właśnie kupionego za element grzejny.

Ogólnie stosowany do testowania izolacji specjalne urządzenie megaomomierza, ale nie zawsze i nie wszyscy mają to pod ręką. Zatem normalny test multimetru jest również całkiem odpowiedni. Przynajmniej taka kontrola musi zostać wykonana.

Jak już wspomniano, elementy grzejne można zginać nawet po napełnieniu izolatorem. Istnieją różne rodzaje grzejników: w postaci prostej rury, w kształcie litery U, zwiniętej w pierścień, węża lub spiralę.Wszystko zależy od urządzenia urządzenia grzewczego, w którym ma zostać zainstalowany grzejnik. Na przykład w podgrzewaczu przepływowym pralki pralki TEN są skręcone w spiralę.

Niektóre TENY mają elementy ochronne. Najprostszym zabezpieczeniem jest bezpiecznik termiczny. Cóż, jeśli spłonęło, musisz wymienić cały grzejnik, ale nie dojdzie do ognia. Istnieje bardziej złożony system ochrony, który pozwala na użycie grzejnika po jego pracy.

Jednym z takich zabezpieczeń jest zabezpieczenie oparte na płycie bimetalicznej: ciepło z przegrzanego elementu grzejnego wygina płytkę bimetaliczną, która otwiera styk i odłącza element grzejny od zasilania. Gdy temperatura spadnie do dopuszczalnej wartości, płytka bimetaliczna wysuwa się, styk zamyka się i grzejnik jest ponownie gotowy do pracy.

DZIESIĘĆ z regulatorem temperatury

W przypadku braku dopływu ciepłej wody konieczne jest użycie kotłów. Konstrukcja kotłów jest dość prosta. Jest to metalowy pojemnik ukryty w „futrze” z izolatora cieplnego, na którym znajduje się ozdobna metalowa obudowa. W obudowie znajduje się termometr wskazujący temperaturę wody. Konstrukcja kotła pokazano na rysunku 8.

Rysunek 8. Kocioł grzewczy

Niektóre kotły zawierają anodę magnezową. Jego celem jest ochrona przed korozją grzejnika i wewnętrznego zbiornika kotła. Anoda magnezowa jest materiałem eksploatacyjnym; należy ją okresowo wymieniać podczas konserwacji kotła. Ale w niektórych kotłach, najwyraźniej o niskiej cenie, taka ochrona nie jest zapewniona.

Jako element grzewczy w kotłach stosuje się grzałkę z regulatorem temperatury, konstrukcja jednego z nich pokazano na rycinie 9.

Rysunek 9. TEN z regulatorem temperatury

Mikroprzełącznik znajduje się w plastikowym pudełku, które jest uruchamiane przez czujnik temperatury cieczy (bezpośrednia rurka obok grzejnika). Kształt samego grzejnika może być najbardziej różnorodny, rysunek pokazuje najprostszy. Wszystko zależy od mocy i konstrukcji kotła. Stopień nagrzewania jest kontrolowany przez położenie styku mechanicznego kontrolowanego przez biały okrągły uchwyt umieszczony na dole pudełka. Istnieją również zaciski do dostarczania prądu elektrycznego. Grzejnik jest zamocowany za pomocą nici.

Grzejniki mokre i suche

Taki grzejnik jest w bezpośrednim kontakcie z wodą, więc grzejnik nazywa się „mokrym”. Żywotność „mokrego” elementu grzejnego wynosi 2 ... 5 lat, po czym należy go wymienić. Ogólnie okres użytkowania jest krótki.

Aby zwiększyć żywotność elementu grzejnego i całego kotła jako całości, francuska firma Atlantic w latach 90. ubiegłego wieku opracowała projekt „suchego” elementu grzejnego. Mówiąc najprościej, grzejnik został schowany w metalowej kolbie ochronnej, która wykluczała bezpośredni kontakt z wodą: element grzewczy jest ogrzewany wewnątrz kolby, która przenosi ciepło do wody.

Oczywiście temperatura kolby jest znacznie niższa niż sam element grzewczy, dlatego tworzenie się kamienia o tej samej twardości wody nie jest tak intensywne, że więcej ciepła jest przenoszone do wody. Żywotność takich grzejników sięga 10 ... 15 lat. Dotyczy to dobrych warunków pracy, zwłaszcza stabilności napięcia zasilającego. Ale nawet w dobrych warunkach „suche” elementy grzewcze również wytwarzają własne zasoby i należy je wymienić.

Ujawnia się jeszcze jedna zaleta technologii „suchych” elementów grzejnych: przy wymianie grzejnika nie ma potrzeby spuszczania wody z kotła, dla którego należy go odłączyć od rurociągu. Po prostu wyłącz grzejnik i wymień go na nowy.

Atlantic oczywiście opatentował swój wynalazek, po czym zaczął sprzedawać licencje innym firmom. Obecnie inne firmy, na przykład Electrolux i Gorenje, produkują również kotły z „suchym” elementem grzewczym. Konstrukcja kotła z „suchym” elementem grzejnym pokazano na rysunku 10.

Rysunek 10. Kocioł z „suchym” grzejnikiem

Nawiasem mówiąc, rysunek pokazuje kocioł z ceramicznym grzejnikiem steatytowym. Urządzenie takiej grzałki pokazano na rysunku 11.

Rysunek 11. Grzejnik ceramiczny

Na ceramicznej podstawie zamocowana jest tradycyjna otwarta spirala z drutu o wysokiej rezystancji. Temperatura ogrzewania spirali osiąga 800 stopni i jest przenoszona do otoczenia (powietrze pod osłoną ochronną) przez konwekcję i promieniowanie cieplne. Oczywiście taki grzejnik stosowany w kotłach może działać tylko w osłonie ochronnej, w powietrzu bezpośredni kontakt z wodą jest po prostu wykluczony.

Spirala może być zwinięta w kilku sekcjach, o czym świadczy obecność kilku zacisków do połączenia. Umożliwia to zmianę mocy grzejnika. Maksymalna moc właściwa takich grzejników nie przekracza 9 W / cm².

Warunkiem normalnej pracy takiego grzejnika jest brak obciążeń mechanicznych, zgięć i wibracji. Powierzchnia nie powinna być zanieczyszczona rdzą ani plamami oleju. I oczywiście im bardziej stabilne napięcie zasilania, bez skoków i skoków, tym bardziej trwała jest nagrzewnica.

Ale technologia elektryczna nie stoi w miejscu. Technologie rozwijają się, ulepszają, dlatego oprócz elementów grzejnych, obecnie opracowywanych i z powodzeniem stosuje się wiele różnych elementów grzejnych. Są to ceramiczne elementy grzewcze, węglowe elementy grzejne, grzejne na podczerwień, ale to będzie temat na inny artykuł.

Kontynuacja artykułu:Nowoczesne elementy grzewcze