Электронагревательные элементы: устройство, эксплуатация и ремонт
Схемы включения нагревательных элементов электротермических установок
Общее сведения
Нагревательные элементы электротермических установок рассчитаны на конкретное значение мощности и напряжения. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательные элементы подключают к питающей сети соответствующего напряжения.
В процессе работы нагревательной электротермической установки мощность электрических нагревателей можно регулировать, например, изменяя напряжение питания Uн или сопротивление нагревателя Rн.
Наиболее просто мощность регулировать ступенчато, переключая нагревательные элементы электротермических установок на различные схемы соединения. При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.
Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют однофазными, а свыше 1 кВт — трехфазными.
Однофазные нагревательные установки
Однофазные нагревательные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции). Регулируют мощность таких установок переключением секций, включая их параллельно или последовательно (рис. 1, а).
Так максимальная мощность будет у параллельно включенных секций:
.
где R1н — сопротивление одного нагревателя, Ом; n — число секций в электротермической установке.
Рис. 1. Схемы включения секций электронагревательных устройств: а — однофазных; б — трехфазных
В случае последовательно включенных секций электротермической установки, ее мощность будет минимальной:
.
Отношение этих мощностей при одинаковом значении питающего напряжения составляет:
.
Трехфазные нагревательные установки
Для трехфазных электротермических установок число секций кратно трем, поэтому с учетом того, что такое соединение представляет собой симметричную систему:
.
Для трехфазных электротермических установок (рис. 1, б), у которых элементы в секциях соединены по схеме «звезда»:
Для трехфазных электротермических установок, у которых элементы в секциях соединены по схеме «треугольник»:
.
Отношение мощностей:
Pтр/Pзв = 3 /1.
Изменяя схему включения нагревательных элементов, мощность можно регулировать ступенчато, что приемлемо, когда не требуется точное поддержание температуры. Такое регулирование называется ступенчатым.
Изменением напряжения питания Uпит тоже можно регулировать мощность и более точно поддерживать температуру. Такое регулирование называется плавным.
Трубчатые электрические нагреватели
Общее сведения
Любой электрический нагреватель сопротивления представляет собой высокоомное сопротивление (нагревательный элемент), оборудованный вспомогательными устройствами для подвода тока, электроизоляции, защиты от механических повреждений, крепления.
Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) являются наиболее распространенными электротермическими устройствами установок низкои среднетемпературного нагрева. Они полностью защищены от внешних воздействий, в том числе от доступа воздуха.
Устройство ТЭНов
Обычно ТЭН состоит из тонкостенной (0,8–1,2 мм) металлической, керамической или кварцевой трубки (оболочки), в которой размещена спираль из проволоки большого удельного электрического сопротивления. Концы спирали соединены с контактным стержнем, наружные выводы которого служат для подключения нагревателя к питающей сети.
Материалом трубки могут быть:
- углеродистая сталь, если температура поверхности ТЭНа в рабочем режиме не превышает 450 °С;
- нержавеющая сталь при более высоких температурах или при работе ТЭНа в агрессивных средах.
Спираль изолируют от трубки наполнителем (не обязательно, только для токопроводящих трубок), имеющим высокие электроизоляционные свойства и хорошо проводящим тепло. В качестве наполнителя чаще всего применяют периклаз (кристаллическая смесь магния). После заполнения наполнителя трубку ТЭНа опрессовывают.
Рис. 2. Примеры форм ТЭНов трубчатого исполнения
Под большим давлением периклаз превращается в монолит, надежно фиксирующий спираль по оси трубки ТЭНа. Опрессованный ТЭН может быть изогнут для придания необходимой формы (рис. 2). Контактные стержни ТЭНа изолируют от трубки. Торцы герметизируют влагозащищенным кремнийограническим лаком.
Достоинства и недостатки ТЭНов
Преимущество ТЭНов — универсальность, надежность и безопасность обслуживания. Их можно использовать при контакте с газообразными и жидкими средами. ТЭНы не боятся вибраций и ударов, но не являются взрывобезопасными. Рабочая температура ТЭНов может достигать 800 °С. Это позволяет использовать их не только в установках кондуктивного и конвекционного нагрева, но и в качестве излучателей в установках лучистого (инфракрасного) нагрева. Вследствие герметизации спиралей срок службы ТЭНов достигает 10 тыс. ч.
ТЭНы выпускают разнообразной конструкции, что позволяет встраивать их в самые разные установки, начиная от промышленных печей и до бытовых электронагревательных приборов. Помимо обычного исполнения выпускают одноконцевые ТЭНы патронного типа с диаметром от 6,5 до 20 мм, отличающиеся высокой удельной поверхностной мощностью, а также плоские ТЭНы с развитой теплоотдающей поверхностью.
К недостаткам ТЭНов следует отнести:
- высокую металлоемкость и стоимость из-за использования дорогостоящих материалов (нихром, нержавеющая сталь);
- невозможность ремонта при перегорании спирали.
Рекомендации по выбору ТЭНа
При выборе ТЭНов необходимо учитывать:
- назначение ТЭНа;
- его мощность;
- питающее напряжение;
- условия эксплуатации (нагреваемая среда, характер нагрева, условия теплообмена, необходимую температуру).
ТЭНы выбирают из расчетной мощности:
Pрасч = (Кз · Р)/h,
где Кз — коэффициент запаса (1,1–1,3); h — КПД, учитывающий потери мощности.
Из каталога находят ТЭН, соответствующий условиям эксплуатации по напряжению, мощности, температуре оболочки и нагреваемой среде, а также форме, возможности размещения ТЭНа в рабочем пространстве.
Затем определяют количество ТЭНов в зависимости от Ррасч и единичной их мощности.
Эксплуатация тЭнов
Основные причины отказы ТЭНов в процессе эксплуатации:
- вспучивание оболочки ТЭНа в результате его перегрева;
- нарушение герметизации выводных концов;
- коррозионное нарушение оболочки;
- разрыв спирали из-за перегрева.
Эти причины вызваны чрезмерными усилиями на контактные стержни при подключении проводов к ТЭНам, образованием слоя накипи на поверхности трубки ТЭНа.
Надежность работы трубчатых электронагревателей можно увеличить при выполнении следующих рекомендаций:
- во-первых, при подключении проводов к ТЭНам не следует прикладывать к гайкам контактных стержней излишнее усилие, в результате которого нарушается герметичность выводных концов;
- во-вторых, необходимо исключить работу ТЭНов без воды в водонагревательных устройствах;
в-третьих, необходимо очищать накипь с поверхности ТЭНов 1 раз в 2–3 месяца, не допуская отложений на ТЭНе толщиной более 2 мм.