1.1. Общие сведения

Электрический нагрев по сравнению с другими видами нагрева (при помощи газа, жидкого или твердого топлива) имеет ряд существенных преимуществ. Основное из них — отсутствие вредных выделений, которые сопутствуют такому широко распространенному энергоносителю, как природный газ: при открытом горении газа выделяются как продукты полного сгорания (углекислый газ, вода), так и особенно вредные для здоровья людей продукты неполного сгорания (оксид углерода, смолистые вещества и др.).

Кроме того, электроприборы взрывобезопасны. Нагревательные электроприборы имеют коэффициент полезного действия (КПД) 55…95 %, тогда как у нагревательных, приборов, работающих на твердом топливе, КПД равен 12…20 %, на жидком — 20…40 %, а на газообразном — 50…60 %. Одним же из важных преимуществ нагревательных электроприборов является возможность регулирования степени нагрева до определенной температуры.

Электронагреватели бытовых приборов — это устройства, преобразующие электрическую энергию в тепловую.

Тепло от нагревательного элемента к нагреваемому телу может передаваться путем теплопроводности, конвекции или излучения.

Передача тепла непосредственно от более нагретого тела к менее нагретому (или от более нагретых частей тела к менее нагретым) называется теплопроводностью (например, в электроутюгах). Распространение тепла путем передвижения самих нагретых частиц вещества называется конвекцией. Например, при нагревании воды снизу нижние нагретые более легкие слои поднимаются вверх, а более тяжелые холодные слои опускаются вниз. Возникают так называемые конвекционные токи, температура воды постепенно выравнивается и повышается. Перенос тепла в воде и в воздухе путем конвекции происходит быстрее, чем при теплопроводности. Наконец, возможна также передача тепла излучением от более нагретого к менее нагретому телу (например, от электрокаминов).

В электронагревательных приборах передача тепла нагреваемому телу основана на одном из этих принципов ил и на их совокупности.

Электронагревательные приборы состоят из корпуса, нагревательного элемента, включающих и регулирующих устройств, контактных штифтов, электроизоляционных и теплоизолирующих материалов.

Сплавы, из которых изготовляют проволоку или ленту для нагревательных элементов, должны обладать более высоким удельным сопротивлением, чем медь и другие проводники, что обеспечивает компактность конструкции и малую зависимость от температуры (температурный коэффициент сплава должен быть весьма мал). Кроме того, они должны длительно выдерживать высокую температуру, не расплавляясь и не окисляясь.

Больше всего удовлетворяют этим требованиям специальные сплавы — константан, нихром и фехраль (табл. 1.1).

Константан — выпускается в виде проволоки или ленты соответственно диаметром или толщиной от 0,003 мм и более. Из-за относительно низкой рабочей температуры в основном применяется для изготовления нагревательных элементов кипятильников.

Нихром — выпускается в виде холоднокатаной проволоки диаметром 0,2…5,5 мм, горячекатаной проволоки диаметром 6…10 мм и ленты толщиной 0,2…3 мм при ширине 6…30 мм. Достоинством этого сплава является высокая допустимая рабочая температура (до 1100 °C). Нагревательные элементы, изготовленные из нихромовой проволоки или ленты, применяются в электрических плитках, утюгах, чайниках и других бытовых приборах.

Фехраль — выпускается в виде проволоки диаметром 0,2…6 мм. Его достоинством является относительно низкая стоимость (содержание железа 80 %), а недостатком — сравнительно низкая допустимая рабочая температура (до 850 °C). Нагревательные элементы, изготовленные из фехралевой проволоки, применяются также в электрических плитках, чайниках, утюгах и др.

Во всех нагревательных элементах токопроводящую проволоку и ленту тщательно изолируют от корпуса. От этого зависят качество и надежность электронагревательных приборов, а также их электробезопасность.

Обычно для изоляции применяют материалы с высокими электро- и теплоизоляционными свойствами, а также высокой механической прочностью, так как они должны выдерживать частые колебания температуры и при нагревании расширяться в такой же степени, как и проводники.

Наилучшими изоляционными материалами для нагревательных электроприборов с температурой нагрева не выше 600 °C считаются фарфор, натуральная слюда и жароупорный миканит (кусочки слюды, склеенные жидким стеклом или борной кислотой). Для приборов с температурой нагрева 700…900 °C применяют алунд — почти чистый оксид алюминия, жженую магнезию — порошок оксида магния. Наконец, для приборов с более высокой температурой нагрева (свыше 900 °C) применяют шамот (огнеупорную глину), кварцевый песок (SiO₂ и периклаз (МgО).

Для компактности прибора при изготовлении нагревательных элементов проволоку диаметром 0,3…0,6 мм свивают в спираль, а ленту наматывают на плоское электроизоляционное основание.