Современные нагревательные элементы. Устройство и принцип работы.

Несмотря на то, что живем мы в 21 веке, периодические отключения воды все еще преследуют нас. В эти дни незаменимым помощником становится электрический водонагреватель или бойлер. Данное изделие пользуется большой популярностью также у дачников, в случае отсутствия в доме централизованного горячего водоснабжения. Несомненными лидерами на рынке водонагревателей России являются 2 компании Thermex и Ariston.

Любой водонагреватель имеет несколько расходных материалов периодическая необходимость замены которых прописана заводом изготовителем. Это ТЭН и анод.

Инфракрасные нагревательные элементы

Применяются в различных устройствах, прежде всего инфракрасных обогревателях для отопления помещений. Попросту говоря, это отопительные приборы, создающие комфорт в доме, квартире, офисе или цехе. Для различных условий применяются самые разнообразные конструкции обогревателей. Инфракрасные нагреватели могут применяться также в различном технологическом оборудовании, где требуется нагрев каких-то предметов.
Ярким примером такого технологического оборудования являются инфракрасные паяльные станции и современные лабораторные нагревательные шкафы и печи. Широко используется ИК нагрев в групповой пайке печатных плат с компонентами SMD.

Описание этого процесса опубликовано в журнале «Технологии в электронной промышленности №3, 2007». Статья называется «Инфракрасный нагрев в технологии пайки поверхностного монтажа», автор статьи В. Ланин. В статье приводятся очень интересные факты, как уже ставшие историей, так и имеющие место быть. Схема установки для инфракрасной пайки показана на рис. ниже.

Установка групповой пайки с ИК нагревом: 1 — вытяжная вентиляция, 2 — матрица ИК ламп, 3 — плата, 4 — ИК лампа, 5 — отражатель, 6 — устройство охлаждения, 7 — конвейер

Меры безопасности при производстве

Производство ТЭНов, как и любой продукции промышленного назначения, связано с использованием технологического оборудования, которое может являться источником производственного травматизма. К нему относятся: труборезные, зенковочные, резьбонакатные, навивочные, рубочные, пескоструйные установки, токарные и подрезные станки, прессовое и обжимное оборудование, высоковольтное оборудование: пробойные установки и мегомметры, термическое, сварочное оборудование, промывочные ванны и т.д

При работе с этим оборудованием необходимо соблюдать правила безопасности в соответствии с инструкциями по охране труда, действующими на предприятии.

• Все рабочие места должны быть аттестованы.
• Производственный персонал должен периодически проходить обучение безопасным методам труда и медицинское освидетельствование.
• На предприятии в установленные сроки должна проводиться аттестация и проверка знания техники безопасности.
• Все работники должны знать правила оказания первой помощи при несчастных случаях и уметь ее оказывать.

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.

Виды ТЭНов для отопительных приборов

Простота изготовления ТЭНов не всегда оборачивается удобством для пользователей. Многие производители выпускают электронагреватели со специфической формой и креплением. В случае поломки их довольно сложно купить в магазине. Поэтому для правильного выбора необходимо изучить все возможные конструктивные варианты.

Трубчатые модели для бытового отопления

Трубчатая конструкция электронагревателей является самой распространенной в мобильных масляных обогревателях, переносных и настенных электрических радиаторах. Передача тепла в них может происходить с помощью: конвекции, ИК-излучения или теплопроводности.

Форма и длина трубки в таких устройствах может быть любой и диктуется лишь конструктивными особенностями. К примеру, ТЭН микатремического обогревателя представляет собой змеевик, расположенный за минеральной пластиной. Нагреваясь, пластина излучает инфракрасное тепло.

Наиболее распространены такие его характеристики:

• диаметр – 5-18 мм;
• длина – 200-6000 мм;
• материал оболочки – сталь, нержавейка, керамика, медь;
• мощность – 0,3-2,5 кВт.

ТЭНы мощностью более 2,5 кВт в бытовых отопительных приборах не применяются, потому что квартирная проводка просто не выдержит большей нагрузки.

Оребренный вариант электронагревателей

Оребренные приборы представляют собой модификацию трубчатого ТЭНа. Их особенностью является наличие множества тонких стальных пластин, расположенных вдоль всей длины устройства. Такая конструкция резко увеличивает площадь контакта с окружающей средой, обеспечивая высокую скорость её нагрева.

Используются оребренные модели преимущественно в обогревателях для воздушного отопления. Они обеспечивают быстрое повышение температуры в помещении, особенно при наличии встроенного вентилятора.

Блочные конструкции ТЭНов

Блочный вариант представляет собой несколько совмещенных на базе единого крепления трубчатых нагревателей.

Такая конструкция используется при сочетании двух факторов:

1. Потребность в повышенной мощности прибора и высокой скорости нагрева рабочей среды.
2. Невозможность быстрой передачи тепловой энергии от спирали к окружающей среде из-за малой площади наружной оболочки.

Фактически в блочном ТЭНе снижается нагрузка на каждую нагревательную трубку и увеличивается скорость теплопередачи. Такие устройства входят в состав бытовых отопительных котлов и промышленных электронагревательных установок.

Мощность блочных моделей может составлять 5-10 кВт, поэтому при их размещении в квартире требуется протягивать в помещение дополнительный электрокабель.

Приборы патронного типа

Патронные ТЭНы имеют вид трубки с одним свободным концом, что обусловлено особенностью их установки. Наружная оболочка выполнена обычно из полированной стали, чтобы обеспечивать максимальный контакт с окружающим материалом. Такие трубки плотно вставляются в соответствующее отверстие отопительного прибора.

Фиксация патронных моделей производится преимущественно с помощью фланцевого соединения. Используются они обычно в промышленности для нагрева рабочих частей экструдеров.

Существуют и другие конструкционные виды ТЭНов, но они применяются в основном в промышленном производстве и не затрагивают рассматриваемую тему.

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.

Трубчатые электронагреватели для нагрева воды в ваннах

Данные ТЭНы редназначаются для нагрева и кипячения воды, слабых щелочей и кислот, других жидкостей. Изготавливаются из различных металлов:

Из нержавеющей стали

• Диаметр, мм – 8,5-13;
• Максимальная температура на оболочке ТЭНа – 100°С;
• Максимальная мощность, Квт/м – 3,7-5,6;
• Удельная мощность, Вт/см2 – 15.

Из углеродистой стали

• Диаметр, мм – 8,5-13;
• Максимальная мощность, Квт/м – 3,7-5,6;
• Удельная мощность, Вт/см2 – 15.

Из меди, латуни

• Диаметр, мм – 8,5-13;
• Максимальная мощность, Квт/м – 2,2-3,4;
• Удельная мощность, Вт/см2 – 9.

Нагревательные элементы на карбоновых лампах

Карбоновая лампа, представляет собой вакуумную трубку из кварцевого стекла, внутри которой размещен излучающий элемент, сделанный из углеродного (карбонового) волокна, точнее из нескольких волокон свитых в жгут. Иногда этот излучающий элемент называют карбоновой спиралью, хотя это и не совсем правильно.

Карбоновое волокно появилось сравнительно недавно, но завоевало большую популярность в различных технологиях. Из него делаются не только карбоновые излучатели. С помощью специальных технологий из карбоновых волокон делают углепластики.

Спектр применения углепластиков очень широк, примерно около двадцати направлений: от авиастроения и ракетной техники до струн для музыкальных инструментов. Широко применяются углепластики в автомобилестроении, главным образом, в спортивных автомобилях. Те, кто увлекается любительским и спортивным рыболовством, по достоинству оценили все прелести карбоновых удилищ.

Карбоновое волокно имеет волокнистую структуру, что значительно увеличивает площадь излучения. Эта площадь в десятки и сотни раз превышает площадь спирали из нихрома, вольфрама, керамики, фламентина или других материалов. Такая развитая площадь приводит к тому, что теплоотдача карбонового волокна на 30…40% выше, чем у обычных нагревательных элементов.

Работа карбонового обогревателя

При подаче напряжения карбоновое волокно разогревается мгновенно, сразу начинается выработка лучистого тепла, причем, без вредного излучения в ультрафиолетовой части спектра. Повышенная теплоотдача карбонового волокна приводит к более экономному расходу электроэнергии, нежели у обычных нагревателей из нихромовой спирали.

При одинаковой потребляемой мощности карбоновые нагреватели вырабатывают большее количество тепла. Тепло при этом не уходит под потолок, как в случае отопления, например, масляным радиатором или батареей центрального отопления.

Оптическое излучение карбоновых ламп совсем незначительно. Чуть видимое красное свечение вовсе не влияет на зрение, не ослепляет, но свечение все-таки заметно. На рисунке выше показан работающий бытовой обогреватель на основе карбоновых ламп.

В верхней части обогревателя находятся переключатели, задающие режимы работы. В подставке обогревателя имеется электропривод, создающий повороты обогревателя в разные стороны, наподобие того, как это делают вентиляторы. Этими поворотами достигается увеличение площади обогрева.

Замена ТЭНа водонагревателя

Бойлеры имеют довольно простую конструкцию и работают по элементарному принципу. Если вы не хотите переплачивать мастерам за работу, то вы вполне сами справитесь с данной задачей. В случае, если ваш водонагреватель находится на гарантии, то необходимо обязательно обратиться в сервисный центр, если соблюдены все правила эксплуатации.

Визуальный осмотр деталей

Визуальный осмотр позволяет объективно оценить в каком состоянии ТЭН для водонагревателя. Для этого потребуется отключить бойлер от сети, слить из него воду и разобрать, очистив нагревательный элемент от накипи.

Осмотрите деталь на наличие трещин, сколов, вздутий или повреждений. В случае их обнаружения, смело выбрасывайте элемент в мусорный бак, так как починить его уже не удастся. В данном случае единственным вариантом будет – заменить ТЭН для водонагревателя на новый.

Такое происходит по причине несвоевременной замены анода. Так как после его разрушения коррозии начинает подвергаться сам ТЭН и стенки бойлера. Крайне важно: повреждение и протечка ТЭНа приведут к повреждению термостата, что значительно увеличит стоимость ремонта. При малейшем повреждении ТЭНа следует его сразу же поменять!

Инструменты для замены ТЭНа

При обнаружении неисправности, необходимо подготовиться к замене и приобрести инструменты. Большинство из них имеются практически в каждом доме, поэтому проблем с заменой возникнуть не должно. Итак, для замены ТЭНа вам потребуются следующие инструменты:

• Гаечный ключ;
• Плоскогубцы или пассатижи;
• Впитывающие ткани (тряпки или салфетки);
• Прямая и крестовая отвертка;
• Фазометр (отвертка с индикатором);
• Новый нагревательный элемент.

Замена водонагревательного элемента

Отключите подачу воды, перекрыв кран неподалеку от бойлера. В случае, если кран перекрытия отсутствует, перекройте воду во всей квартире, путем перекрытия стояка. Помимо перекрытия холодной воды, горячую воду также требуется перекрыть.

Процесс замены довольно прост, достаточно выполнить работы в следующем порядке:

1. Слив воды 1.1. Отключите электропитание прибора; 1.2. Убедитесь, что вода внутри прибора имеет безопасную температуру; 1.3. Перекройте подачу холодной воды в водонагреватель; 1.4. Откройте кран горячей воды на смесителе для сброса давления внутри бака; 1.5. Для поступления воздуха в бак, откройте запорный кран на тройнике, установленный на выходе горячей воды из водонагревателя. При его отсутствии необходимо демонтировать подсоединения на выходе из водонагревателя; 1.6. Присоедините направленный в канализацию дренажный шланг к запорному крану на тройнике, установленному на входе холодной воды в водонагреватель и откройте его. При отсутствии дренажный шланг необходимо установить на входе в водонагреватель. Вода будет выливаться из места подачи холодной воды, а через место подключения горячей воды будет поступать воздух; 1.7. После слива убедитесь в отсутствии воды внутри водонагревателя. 2. Замена внутренних элементов 2.1. Снимите крышку прибора; 2.2. Для замены термостата, выдвиньте его из гнезда и отсоедините от цепи питания; 2.3. Снимите термостат; 2.4. Открутите ТЭН, либо крепление ТЭНа с помощью рожкового и разводного или газового ключа; 2.5. Промойте внутренний бак водонагревателя и замените ТЭН (при необходимости анод и термостат); 2.6. Сборка производится в обратной последовательности. Главное обратить внимание на заземляющий провод.

Внимание:

Магниевый анод является неотъемлемой составной частью системы защиты водосодержащей емкости и нагревательного элемента (ТЭНа) от коррозии. Необходимо ежегодно проверять состояние магниевого анода. При сильном изнашивании магниевый анод необходимо заменить. Необходимо производить замену магниевого анода не реже 1 раза в 24 месяца.

Внимание:

Трубчатый электронагреватель (ТЭН) предназначен для нагрева воды во внутреннем баке путем преобразования электрической энергии в тепловую. Образование на его поверхности известкового налета (или накипи) может привести к ухудшению теплоотдачи, перегреву или выходу из строя. Регулярно осматривайте и при необходимости удаляйте накипь с его поверхности с помощью средства для удаления накипи.

Керамические инфракрасные нагреватели (излучатели)

Представляют собой обычный ТЭН, «заточённый» в керамическую оболочку – корпус. Теплом от ТЭНа разогревается керамика, а уже от нее тепловые лучи излучаются во внешнюю среду. Керамическая оболочка имеет площадь в несколько раз превышающую площадь ТЭНа, поэтому тепло отдается более активно.

Внешний вид керамического обогревателя показан на рисунке. Подобные нагревательные элементы часто называют панельными инфракрасными нагревателями. Форма нагревательных панелей самая разнообразная. Нагреватель может быть плоским, вогнутым или, наоборот, выпуклым.

Внешний вид керамического нагревателя

На передней поверхности можно рассмотреть конфигурацию ТЭНа, на задней поверхности находятся проволочные выводы изолированные керамическими бусами. Рабочая температура керамических нагревателей 700…750 градусов, удельная поверхностная мощность до 64 Квт/м2. Мощность керамических нагревателей может находиться в пределах от нескольких десятков ватт, до нескольких киловатт. Что называется, на все случаи жизни.

Некоторые типы керамических нагревателей имеют открытую, видимую спираль, например типа HSR. Рабочая температура нагревателя 900 °C, нагреватель предназначен для быстрого разогрева. Внешний вид нагревателя HSR показан на рисунке.

Нагреватель типа HSR

Керамические ИК нагреватели бывают трех типов: объемные (сплошные), полые, а также нагреватели со встроенной термопарой. Объемные элементы достаточно инерционны, долго разогреваются и медленно остывают. В тех случаях, когда нужно периодическое включение/выключение нагревателя, применяются полые нагреватели.

Они менее инерционны, что позволяет применять их в различных технологических процессах, где требуется поддержание точной температуры рабочей среды с помощью периодического включения/выключения излучателя. За счет пониженной массы скорость разогрева пустотелых излучателей на 40% выше, чем у объемных.

В отличие от объемных излучателей большая часть излучения полых излучателей направлена вперед. Излучению назад препятствует полый тепловой барьер с задней стороны, что обеспечивает щадящий температурный режим для элементов корпусных конструкций, а также повышает КПД излучателя. По сравнению с объемными излучателями той же мощности снижение потребления электроэнергии достигает 15%.

При использовании объемного излучателя такое распределение тепла можно получить только с использованием рефлектора. Некоторые типы панельных ИК нагревателей имеют встроенную термопару типа K или J, что позволяет осуществлять точный контроль и регулирование температуры. Очень удобно для применения в технологических процессах.

Технологических процессов, где применяются ИК излучатели достаточно много. Вот только некоторые из них:

• Сушка краски (двухкомпонентные краски, эпоксидные лаки),
• Обработка пластмасс (вулканизация ПВХ, термоформовка пластиков АБС, полиэтилена, полистирола, части автокузова, порошковая покраска)
• Сушка клеящих веществ,
• Обработка продуктов питания (поддержание в нагретом состоянии, гриль, стерилизация и пастеризация),
• Текстильные изделия (шелкография, переводные картинки на футболках, латексирование ковровых покрытий),
• Красота и здоровье (инфракрасные тепловые кабины, сауны)

Внутреннее устройство электронагревателей

Устройство удобно рассматривать на примере трубчатой модели. Электронагреватель представляет собой заполненную термопроводником керамическую или металлическую трубку с расположенной внутри спиралью. В месте фиксации трубки к фланцу находятся изолирующие втулки, которые делают невозможным контакт токопроводящей спирали с корпусом ТЭНа.

Крепится электронагреватель преимущественно фланцевым соединением, которое позволяет герметизировать внутреннюю среду отопительного прибора от внешнего пространства. Недостатком такой конструкции является невозможность замены спирали при её внутреннем перегорании.

Инфракрасные керамические лампы Эдисона

Относятся к полым керамическим излучателям, выпускаются с цоколем E27, как у обычной лампы накаливания. Этот цоколь давным-давно был изобретен великим изобретателем Т. Эдисоном. Именно буква «E» в названии цоколя увековечивает имя изобретателя, а 27 это диаметр цоколя в миллиметрах. Конструкция очень удобная: просто ввернули в патрон вместо лампы накаливания, и сразу стало тепло!

Считается, что эти нагревательные элементы, чаще всего, применяются в животноводстве. Даже на китайских сайтах с бесплатной доставкой, из корявого машинного перевода с английского языка, можно понять, что эти обогреватели предназначены для коровников, птичников и свинарников.

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.

Использование ТЭНов из меди

Не менее востребованы медные ТЭНы – для производства корпусов используются специальные медные сплавы, устойчивые к воздействию агрессивной среды. Их основное преимущество – более высокая теплопроводность, благодаря чему воду удается нагревать быстрее. Это позволяет тратить меньше электроэнергии на прогрев.

Изделия из меди обладают несколькими преимуществами:

1. Высокая коррозионная стойкость. Такие изделия долго служат, хотя устойчивость к коррозии во многом зависит от качества используемой воды. Если в водопроводной воде присутствует большое количество хлора, то процесс коррозии идет быстрее, поэтому желательно устанавливать систему доочистки.
2. Природные бактерицидные свойства. Контакт с этим металлом губителен для микроорганизмов, поэтому он является дополнительным средством обеззараживания воды.
3. Высокая пластичность. Медные ТЭНы могут иметь разнообразную конфигурацию, что расширяет возможности производства.
4. Эффективная теплоотдача. Нагревательный элемент не деформируется даже при резких температурных перепадах.