Трубчастий електронагрівник
Тру́бчастий електронагрівни́к (ТЕН) — електричний нагрівник опору, що складається з нагрівального елементу з контактними стрижнями на кінцях, найчастіше запресованого разом з електроізоляційним наповнювачем в металеву оболонку.[1][2]
ТЕН було винайдено і запатентовано у США (Вашингтон, округ Колумбія) 20 вересня 1859 року Джорджом Б. Сімпсоном[3].
Трубчастий електронагрівник, зазвичай, виготовляється у вигляді металевої трубки, заповненої теплопровідним електричним ізолятором (наповнювачем). Точно по центру ізолятора розташовано нагрівальний елемент у вигляді струмопровідної ніхромової нитки певного електричного опору, для перетворення електричної енергії на теплову, яка передається на поверхню нагрівача.
У продажу наявні також трубчасті електронагрівники з керамічними оболонками, наприклад для інфрачервоних саун, та з трубками із кварцового скла, тощо.
- Нагрівальний елемент — металевий провідник зі сплаву, з високим питомим опором.
- Наповнювач — ущільнений ізолювальний матеріал, що оточує електронагрівний елемент.
- Герметизація торців — заповнення торців ТЕНа матеріалом, котрий забезпечує захист наповнювача від впливу на нього вологи.
- Контактний стрижень — струмопровідна металева деталь, яка слугує для приєднання ТЕН-а до мережі живлення.
- Активна довжина — частина ТЕНа, у якій розташовується нагрівальний елемент.
- Активна поверхня — поверхня ТЕНа на його активній довжині.
- Розгорнута довжина — сума довжин прямолінійних та вигнутих ділянок ТЕНа.
- Питома поверхнева ��отужність ТЕН — потужність, що припадає на 1 см² активної поверхні.
- Опір ізоляції ТЕН — електричний опір ізоляційного матеріалу, виміряний між струмопровідними частинами і металевою оболонкою.
- Робоча температура — температура на активній частині оболонки ТЕНа, яка виникає при експлуатації в умовах нормальної тепловіддачі за нормальних напруг.
- Холодний стан ТЕН — термічний стан, при якому температура довільної частини ТЕНа відрізняється не більше ніж на 3° від температури навколишнього середовища.
- Гарячий (робочий) стан ТЕН — стан ТЕНа при встановленому режимі в умовах нормальної тепловіддачі.
- Номінальна потужність споживання ТЕН — потужність, що споживається ТЕНом в умовах нормальної тепловіддачі при робочій температурі, що вказана виробником на виробі.
ТЕНи використовуються як комплектуючі у промислових та побутових приладах та установках і служать для нагрівання:
- повітря та інших газів та їх сумішей;
- води і слабких розчинів кислот та лугів;
- жирів та олив;
- прес-форм;
- легкоплавких металів та сплавів;
- селітри при плавленні.
Трубчасті електронагрівачі, порівняно з іншими типами нагрівачів, вирізняються:
- можливістю їх застосовувати при безпосередньому дотику з середовищами нагрівання газоподібними та рідкими при тиску до 9,8·105 Па, а також твердими;
- надійністю при вібраціях та значних ударних навантаженнях;
- різноманітною геометричною конфігурацією;
- відсутністю електричної напруги на оболонці ТЕНа (за винятком одно-кінцевих ТЕНів з напругою 36 В, що мають струмопровідну оболонку).
Експлуатація ТЕНів у тому чи іншому середовищі обмежується хімічною стійкістю оболонки і гранично допустимою температурою. ТЕНи не призначені для роботи у вакуумі і не є вибухобезпечними. Вибухобезпечність устаткування з використанням ТЕНів забезпечується конструкцією самої установки (системи) і визначається проектними організаціями, які несуть відповідальність за безпеку запроектованих установок.
Основні параметри промислових трубчастих електронагрівників промислового призначення[2].
- Як наповнювач використовується кристалічний оксид магнію (периклаз).
- Оболонками слугують електрозварні або суцільнотягнуті трубки зі сталі марок сталь 10 і 12Х18Н10Т, труби з міді, латуні та алюмінієвих сплавів.
- Діаметр оболонки обирають з ряду 6,5; 8; 8,5; 9,5; 10; 13 або 16 мм
- Одинична потужність може становити від 0,1 до 25 кВт
- Напруга живлення може бути 12, 24, 36, 42, 48, 60, 127, 220 або 380 В
- Максимальна температура нагрівання 750°С
- Найбільша розгорнута довжина 250…6300 мм
Технічні характеристики ТЕН побутового призначення регламентуються ГОСТ 19108-81.
ТЕН загальнопромислового призначення маркується за шаблоном: ТЕН-XXX/XXX УХЛ4 ГОСТ 13268-88:
- ТЕН — трубчастий електронагрівник;
- Х — розгорнута довжина ТЕНа по оболонці L, см;
- Х — довжина контактного стрижня Lк, мм або умовна познака, наприклад, A (для 40 мм), B (для 60 мм) і т. д. аж до H (для 630 мм);
- Х — номінальний діаметр ТЕНа, мм;
- / — роздільник;
- Х — номінальна потужність, кВт;
- Х — середовище нагрівання і матеріал оболонки ТЕНа (за ГОСТ 13268);
- Х — номінальна напруга, В;
- УХЛ4 — кліматичне виконання і категорія розташування за ГОСТ 15150-69.
Приклад:
- ТЕН-100A13/3,5J220 УХЛ4 ГОСТ 13268-88
означає ТЕН з розгорнутою довжиною 1000 мм, з контактним стрижнем завдовжки 40 мм, діаметром 13 мм, номінальною потужністю 3,5 кВт, для води, на номінальну напругу 220 В.
Характерні випадки застосування ТЕН і питомі поверхневі потужності залежно від умов експлуатації та матеріал оболонки наведені у таблиці:
Умовні познаки середовища нагрівання за ГОСТ 12368-88
Умовна познака середовища нагрівання |
Середовище нагрівання | Характер нагрівання | Питома потужність Вт/см², не більше |
Матеріал оболонки ТЕН |
---|---|---|---|---|
Вода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 9) |
Нагрівання, кип'ятіння з максимальною температурою на оболонці 100°С |
Мідь та латунь (з покриттями) | ||
Вода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 7) |
Те ж | Нержавка жаростійка сталь | ||
Вода, слабкий розчин лугів та кислот(pH від 7 до 9) |
Те ж | Вуглецева сталь | ||
Вода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 7) |
Те ж | Алюмінієві сплави | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у спокійному газовому середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Вуглецева сталь | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у спокійному газовому середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Нержавка жароміц��а сталь | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у рухомому зі шв. 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Вуглецева сталь | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у рухомому зі шв. не менше за 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Нержавка жаростійка сталь | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у рухомому зі шв. не менше 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Вуглецева сталь | ||
Повітря, ін. гази та суміші газів | Нагрівання у рухомому зі шв. не менше 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450°С |
Нержавка жаростійка сталь | ||
Жири та оливи | Нагрівання у ваннах та ін. ємкостях | Вуглецева сталь | ||
Луги, лужно-селітрова суміш | Нагрівання і плавлення у ваннах та ін. ємкостях з робочою температурою на оболонці ТЕН до 600°С |
Вуглецева сталь | ||
Легкоплавкі метали:олово, свинець тощо. | Те ж, з робочою температури на оболонці ТЕН 450°С | Вуглецева сталь | ||
Ливарні форми, прес-форми |
ТЕН, що вставлені в отвори. Є гарантований контакт з металом, що нагрівається. Нагрівання до робочої температури на оболонці ТЕН до 450°С |
Вуглецева сталь | ||
Металеві плити з алюмінієвих сплавів |
ТЕН залито у вироби. Робота з термообмежувачами з робочою температурою на оболонці ТЕН до 320°С |
Вуглецева сталь |
Перед застосуванням ТЕНа, перевіряють[2]:
- опір ізоляції (у разі його зниження нижче від 0,5 МОм або збільшення струму витоку понад 0,75 мА/кВт ТЕН слід просушити за температури 120…150°С протягом 4—6 годин);
- надійність заземлення;
- захист струмопровідних частин від випадкового дотику до них та потрапляння бризок (для сухих ТЕН-ів); усі монтажні і ремонтні роботи слід проводить за відсутності електричної напруги;
Під час використання ТЕНів:
- необхідно стежити за станом контактних стрижнів струмопровідних провідників, не допускаючи ослаблення електричних з'єднань;
- коли підтягують контактні гайки, не допускається прокручування контактних стрижнів в корпусі ТЕНа;
- активна частина ТЕНа повинна бути розташована повністю у робочому середовищі;
- при нагріванні твердих тіл (деталей штампів, прес-форм, ливарних форм) треба забезпечити надійний тепловий контакт оболонки із середовищем нагрівання;
- у разі послідовного з'єднання ТЕНів, їхня загальна електрична потужність зменшується в таку кількість разів, скільки сполучається нагрівників, і навпаки — коли з'єднання паралельне, спільна потужність ТЕНів збільшується;
- не допускається застосування кварцових трубчастих електронагрівників, у вертикальному положенні (щодо подібних керамічних нагрівників, існують різновиди як для горизонтального, так і вертикального використання — відрізняються позначеннями).
- ДСТУ 2821–94. Промислове електронагрівання Терміни та визначення.
- ГОСТ 13268–88 (СТ СЭВ 171–87). Электронагреватели трубчатые.
- ГОСТ 19108–81 (CT СЭВ 6702–89). Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых нагревательных электроприборов. Общие технические условия.
- ГОСТ 27570.0–87 (МЭК 335-1–76). Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Общие требования и методы испытаний.