1.2. Нагревательные элементы

В зависимости от назначения нагревательные элементы выполняют открытыми или закрытыми. Закрытые подразделяются на негерметичные и герметичные.

Нагревательные элементы открытого типа представляют собой спирали, открыто размещенные в канавках электроизоляционного материала соответственной формы или свободно подвешенные на кронштейнах из электроизоляционного материала.

Передача тепла в них осуществляется путем конвекции и излучения. К достоинствам нагревательных элементов открытого типа относятся простота конструкции, быстрота нагрева, легкость ремонта и относительно низкая стоимость. К недостаткам — возможность замыкания витков спирали внешними предметами, механическое повреждение спирали, а также недостаточная электробезопасность.

Нагревательные элементы закрытого типа негерметичные (рис. 1.1, а, б) выполняют из спирали или ленты, помещенной в защитную оболочку из электроизоляционного материала, которая предохраняет ее от механических повреждений, но не препятствует доступу воздуха.

В качестве защитной оболочки иногда служат чешуйчатые керамические бусы, которые надеваются на спираль, навитую из нихромовой или фехралевой проволоки.

Элементы подобного типа ранее находили применение в чайниках и утюгах. Они просты по устройству, но обладают небольшой механической прочностью. При поломке же их может произойти замыкание спирали на корпус.

Нагревательные элементы закрытого типа в виде спирали из нихромовой или фехралевой проволоки помещают также в металлический кожух, состоящий из двух кольцевых чашек, запрессованных одна в другой. Внутренняя часть кожуха заполнена порошкообразной электроизоляционной массой. Такие элементы применялись в электрических плитках и утюгах. Они надежны в эксплуатации, но нагревают прибор сравнительно долго.

Трубчатые нагревательные элементы закрытого типа герметичные являются более совершенными. В них используются трубчатые нагреватели (ТЭНы), которые работают по принципу передачи тепла излучением, конвекцией и теплопроводностью (рис. 1.1, в).

Рис. 1.1. Нагревательные элементы закрытого типа:

_{а — в защитной оболочке из керамических бус; б — пластинчатый; в — трубчатый;}

_{1 — керамические бусы; 2 — проволока из нихрома или фехраля; 3 — пластина из миканита; 4 — контактные выводы элемента; 5 — контактные стержни; 6 — нагревательная спираль; 7 — оболочка; 8 — наполнитель; 9 — герметичная пробка; 10 — контактная гайка; L — развернутая длина нагревателя; La — активная длина нагревателя; Lк — длина контактного стержня}

ТЭНы изготовляются на номинальные напряжения 6, 12, 24, 36, 42, 110, 127 и 220 В переменного и постоянного тока. Номинальные диаметры, мм: 5; 6,5; 7,4; 8; 8,5; 10. Развернутая длина, мм: 250, 280, 300, 320, 350, 380, 420, 450, 500, 560, 600, 630, 710, 800, 850, 900, 1000, 1200, 1400, 1700, 2000.

Трубчатые электронагреватели представляют собой металлическую трубку, внутри которой находится нагревательная спираль, запрессованная в специальном наполнителе — периклазе.

Наполнитель обеспечивает надежную электроизоляцию и имеет большую теплопроводность, поэтому используется также для уменьшения перепада температур между внешней трубкой и нагревательной спиралью.

Оболочку 7 в зависимости от условий эксплуатации изготовляют из нержавеющей жаростойкой стали, алюминиевых сплавов или углеродистой стали. Торцы ТЭНа герметизируют для предотвращения проникновения атмосферной влаги в наполнитель.

Принципиальные преимущества ТЭНов перед другими видами нагревателей заключаются в следующем: поверхность нагревателя не находится под электрическим напряжением, т. е. электронагреватель электробезопасен (при заземлении внешней трубки и правильно выбранных предохранителях), его можно помещать в воду, жидкий металл и пр.; нагревательная спираль, запрессованная в наполнителе (при достаточной герметизации торцов нагревателя), имеет малый диаметр проволоки и значительный срок службы; нагреватели надежно работают при вибрациях и значительных ударных нагрузках (благодаря плотности набивки наполнителя); нагреватели могут иметь любую форму; конструкция нагревателя проста.

Нагревательная спираль ТЭНа выполняется, как правило, из проволоки диаметром 0,2… 1,6 мм (сплавы Х20Н80 и Х15Н60).

ТЭН можно согнуть в любую форму в холодном состоянии после отжига трубки при условии, что радиус изгиба будет не меньше 2,5 диаметра внешней трубки (при этом спираль внутри трубки расположена строго по ее оси).

Пример условного обозначения ТЭНа развернутой длиной 800 мм, номинальной длиной контактного стержня в заделке 50 мм, диаметром 8 мм, мощностью 1 кВт, изготовленного из стали марки 12Х18Н10Т, предназначенного для нагрева слабых растворов пищевых кислот на номинальное напряжение 220 В: трубчатый электронагреватель ТЭН-80-5-8/1 ОП 220.

Все имеющиеся в природе тела с температурой выше абсолютного нуля обладают инфракрасным излучением. Инфракрасным является нагрев от электронагревателей, в которых используются проводники с высоким удельным сопротивлением.

В практике под инфракрасными нагревателями понимают такие, у которых максимум излучения приходится на инфракрасную область спектра с длинами волн от 0,76 до 3 мкм. Инфракрасные электронагреватели подразделяют на светлые, излучающие помимо инфракрасных видимые лучи, и темные, излучающие преимущественно инфракрасные лучи. К светлым излучателям относятся лампы накаливания типа ИКЗ (инфракрасная зеркальная) с внутренней зеркальной поверхностью для получения направленного лучевого потока. К темным излучателям инфракрасных волн — открытые спирали и ТЭНы с температурой на поверхности 700…750 °C.