Электрические нагревательные элементы для установок косвенного электронагрева

Нагревательные элементы являются основными и наиболее ответственными устройствами установок косвенного электронагрева. В них происходит выделение тепла, которое затем путем теплопроводности, конвекции или излучения передается нагреваемым телам или средам.

Тело, в котором собственно происходит преобразование электрической энергии в тепловую, называют нагревательным сопротивлением. Оно характеризуется только двумя величинами: длиной и поперечным сечением.

Нагревательный элемент помимо нагревательного сопротивления, которому придают определенную конструктивную форму, включает вспомогательные устройства для электрической изоляции, герметизации, защиты от механических повреждений, подвода тока, крепления. В простейшем случае нагревательный элемент может состоять только из одного нагревательного сопротивления.

Типы нагревательных элементов

Нагревательные элементы могут выполняться с электрической изоляцией и защитными устройствами, поэтому они безопасны в работе и применяются для нагрева любых, в том числе и агрессивных сред.

Герметизация нагревательных сопротивлений от воздуха и нагреваемых сред позволяет значительно удлинить срок службы нагревательных элементов и не оказывать влияния па среды.

В установках косвенного электронагрева большую роль играют условия теплопередачи от нагревательных элементов к нагреваемым телам и средам. Эти условия во многом определяют конструктивное исполнение нагревательных элементов и их параметры.

Конструкции НЭ отличаются большим разнообразием, вытекающим из различных условий работы, назначения, мощности и других факторов.

Наиболее просты в конструктивном отношении неизолированные элементы в виде проволок, лент, стержней, трубок, а также открытых проволочных спиралей, ленточных зигзагов и т. д.

По исполнению различают открытые, закрытые и герметические нагреватели. В открытых нагревателях нагревательные сопротивления открыты для доступа воздуха или нагреваемой среды. Передача тепла к нагреваемым средам осуществляется теплопроводностью, конвекцией, излучением или комбинацией этих методов.

Такие нагреватели применяются в калориферах, обогревателях почвы в парниках и т. д., если это допускается технологией нагрева, условиями безопасности, соображениями по сроку службы, а также в высокотемпературных установках (электрические печи промышленных предприятий).

В закрытых нагревателях нагревательные сопротивления помещаются в защитный кожух, предохраняющий его от механических воздействий и от нагреваемой среды, а в герметических — и от доступа воздуха.

В закрытых и герметических нагревателях нагревательные сопротивления изолируются от защитного кожуха термостойкой электроизоляцией (фарфор, кварцевый песок, периклаз, термостойкий миканит), которая одновременно служит для фиксации, а иногда и герметизации нагревательных сопротивлений.

В настоящее время все большее распространение получают унифицированные герметические трубчатые электронагреватели (ТЭНы), которые удовлетворяют условиям большинства тепловых процессов.

ТЭНы

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) являются универсальными нагревательными устройствами, пригодными для подавляющего большинства сельскохозяйственных установок электронагрева. Они используются в водонагревателях, парообразователях, калориферах, установках лучистого нагрева, электрообогреваемых полах и пр.

ТЭН представляет собой металлическую трубку, внутри которой смонтирована нихромовая спираль. Концы спирали привариваются к выводным шпилькам, которые служат для подключения ТЭНа к сети.

Выбор материала трубки зависит от ее рабочей температуры и условий работы. Это может быть углеродистая сталь, нержавеющая сталь, медь, латунь и др.

 Достоинством ТЭНов является их универсальность, надежность и безопасность обслуживания. Нагревательная спираль изолирована от наружной трубки, поэтому ТЭН можно помещать непосредственно в нагреваемую среду.

Вследствие герметизации спиралей от доступа воздуха срок службы нагревателей заводского изготовления составляет более 10000 ч, они не боятся 50 ударов и вибраций.

Мощность, которую можно снять с единицы поверхности трубки ТЭНа, зависит от условий его работы, материала трубки и материала наполнителя.

При выборе ТЭНов следует обращать внимание на условия работы, особенно на наличие влажности и агрессивных газов. Наиболее целесообразными в этом отношении являются ТЭНы с трубками из нержавеющей стали или со специальными защитными покрытиями.

В процессе эксплуатации ТЭНов необходимо следить за тщательным заземлением корпусов нагревателей. Перед установкой необходимо проверить сопротивление изоляции ТЭНа, которое должно быть не менее 1 МОм в холодном и 0,5 МОм в горячем состоянии. Если сопротивление изоляции ниже этих норм, необходимо ее подсушить путем нагрева от посторонних источников или подключения нагревателя на пониженное напряжение.

Материалы нагревательных элементов

Надежность и долговечность ЭНУ сопротивления во многом определяется нагревательными элементами, которым приходится работать в очень тяжелых условиях. Правильно рассчитанные и правильно эксплуатируемые нагревательные элементы имеют срок службы 1000— 2000 ч, тогда как конструкционные части установок служат 5—10 лет. Поэтому к материалам для нагревательных сопротивлений предъявляется целый ряд требований.

В наибольшей степени всем требованиям отвечают специальные нагревательные сплавы — нихромы, основными компонентами которых являются никель и хром.

Различают двойные и тройные нихромы. Двойные нихромы содержат около 20% хрома и 80 никеля (Х20Н80) и являются наиболее высококачественными и наиболее дорогими сплавами для нагрева тельных сопротивлений. Тройные сплавы содержав 13—15% хрома, около 60% никеля, остальное железо (Х15Н60). Это менее дорогие материалы.

 Взамен нихромов используются еще более дешевые железохромистоалюминиевые сплавы, среди которых наиболее известен фехраль (Х13Ю4), содержащий 13% хрома, 83% железа, остальное алюминий.

Применяются также нагревательные элементы из нержавеющих сталей, на пример 1Х18Н9Т и другие.

Нихромы обладают высокой жаростойкостью с допустимой рабочей температурой 1000—1100°С. Жаростойкость обеспечивается поверхностной пленкой окиси хрома. Пленка имеет более высокую жаростойкость, чем основной материал, и препятствует окислению и разрушению его глубинных слоев.

Удельное электросопротивление нихромов высокое (1,0—1,2 Ом-мм²/м), а температурный коэффициент сопротивления низок — в десятки раз меньше, чем у углеродистых сталей.

Особенностью нихромов является то, что они не магнитные материалы.

В установках с невысокими температурами нагрева (до 400°С) может использоваться реостатный сплав константан, содержащий около 40% никеля и 60% меди.

В сельскохозяйственном производстве в некоторых случаях нагревательные элементы выполняются из стальной оцинкованной проволоки. Углеродистая сталь как нагревательный сплав является дешевым и доступным материалом, хорошо обрабатывается.

Большим недостатком стальных нагревательных элементов являются низкая жаростойкость (допустимые рабочие температуры не более 300—350°С), низкое удельное сопротивление, высокий температурный коэффициент сопротивления, что вызывает при включении толчки тока, достигающие 4—5-кратного увеличения от установившегося значения.

Нагревательные провода и кабели

Провода воздушных и кабельных линий электропередач, а также внутренних проводок всегда нагреваются. Степень нагрева зависит от количества тепла, выделяемого электрическим током согласно закону Ленца—Джоуля, и условий теплопередачи.

Этот нагрев связан с потерями энергии, он вызывает тепловое старение изоляции, поэтому с ним всячески борются. Однако, как это нередко бывает в технике, явление, с которым в одних случаях приходится бороться, в других находит полезное применение.

Нагретые провода во многих случаях удобно использовать как нагревательные элементы. Так появились специальные нагревательные провода и кабели, применяемые там, где необходимо поддерживать невысокие (до 40—50°С) температуры и где применение других нагревательных устройств затруднительно или нерационально по условиям экономичности или электробезопасности.

При подготовке статьи использованы материалы сайта Школа для электрика: Энциклопедия электрика (справочник по современной электротехнической практике)