ТЭН. Выбор, расчет, обозначение, характеристики нагревательных элементов ТЭНов.
1. Нагревательные элементы
Под нагревательным элементом понимают нагревательное сопротивление, его изоляцию, каркас и защитную оболочку.
Нагреватели подразделяются на открытые, защищенные и герметические. Открытые передают тепло излучением и конвекцией. Нагреватели защищенного типа и герметического исполнения передают тепло в основном конвекцией.
Наиболее широко распространены трубчатые электронагревательные элементы — ТЭНы, которые можно устанавливать почти во все нагревательные приборы. Однако во многих низкотемпературных приборах используют открытые спирали, защищенные самой конструкцией прибора, как более простые и дешевые.
Заводы серийно выпускают трубчатые электронагреватели диаметром трубки 9—16 мм, при толщине стенки — 0,8—1,5 мм и максимальной длине 6 м.
Нагревательная спираль, как правило, изготавливается из поволоки сплава Х20 Н80 и Х15 Н60 диаметром 0,2—1,6 мм.
Рис. 1. Трубчатый электронагреватель: 1 — спираль; 2 — теплоизоляционный материал; 3 — металлическая трубка; 4 — токоведущий стержень; 5 — изоляционная втулка
Внешняя трубка выполняется из стали Ст10 или 1 Х18 Н10 Т, меди, латуни, алюминия. При изготовлении ТЭНы заполняют периклазом (плавленая окись магния), затем обжимают и герметизируют. Трубке нагревателя можно придать любую желаемую форму при условии, что изгиб делается в холодном состоянии после отжига трубки и радиус изгиба не меньше 2,5 диаметров трубки. Спираль при этом сохраняет центральное положение в трубке.
Срок службы ТЭНов 10000 часов, гарантийный срок 3000 часов.
1.1. ТЭНы промышленного назначения, ГОСТ 13268—88
Рис. 2. Примеры конфигурации ТЭНов промышленного назначения
|
| Нагрев воздуха, литейных форм и т.д. Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь. Мощность от 0,2 до 5 кВт |
|
| Нагрев воды, воздуха и т.д. Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,2 до 6,3 кВт |
|
| Нагрев воды, воздуха и т.д. Материал оболочки: ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,2 до 6,3 кВт |
|
| ТЭНы для дистилляторов. Материал оболочки: нержавеющая сталь, латунь. Мощность: от 0,5 до 3 кВт |
|
| Нагрев воды, воздуха и т.д. Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность от 0,2 до 3,6 кВт |
|
| Нагрев воды, воздуха и т.д. Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь, латунь. Мощность до 5 кВт |
|
| Нагрев воздуха. Материал оболочки ст.10, нержавеющая сталь. Мощность до 4 кВт |
|
| Оребренные ТЭНы. Мощность до 6,3 кВт |
1.2. Обозначение ТЭНов по ГОСТ 13268—88 (для промышленного оборудования)
Пример обозначения ТЭНа: ТЭН 170 С 13/0,4 S 220
170 — развернутая длина ТЭН по трубе: от 30 до 450 см; С — тип контактного стержня (длина), см. табл.
| Условное обозначение | A | B | C | D | E | F | G | H |
| Длина стержня в заделке, мм | 40 | 65 | 100 | 125 | 160 | 250 | 400 | 630 |
13 — диаметр ТЭН, мм: 13; 10; 8; 8,5; 7,4; 6,5;
0,4 — потребляемая мощность: от 0,2 до 6,3 кВт; S — нагреваемая среда;
220 — напряжение: от 12 до 600 В.
| Условное обозначение нагреваемой среды | Нагреваемая среда | Характер нагрева | Удельная мощность, Вт/см2, не более | Материал оболочки ТЭНа |
| Х | вода, слабый раствор щелочей и кислот (рН от 5 до 9) | Нагревание, кипячение с максимальной температурой на оболочке 100 °C | 9,0 | Медь, латунь (с покрытиями) |
| J | вода, слабый раствор кислот (рН от 5 до 7) | Нагревание, кипячение с максимальной температурой на оболочке 100 °C | 15,0 | Нержавеющая сталь |
| Р | вода, слабый раствор щелочей (рН от 7 до 9) | Нагревание, кипячение с максимальной температурой на оболочке 100 °C | 15,0 | Углеродистая сталь |
| S | Воздух и прочие газы и смеси газов | Нагрев в спокойной, газовой среде до температуры на оболочке ТЭНа до 450 °C | 2,0 | Углеродистая сталь |
| T | Воздух и прочие газы и смеси газов | Нагрев в спокойной, газовой среде с температурой на оболочке ТЭНа свыше 450 °C | 5,0 | Нержавеющая жаропрочная сталь |
| O | Воздух и прочие газы и смеси газов | Нагрев в среде с движущимся со скоростью не менее 6 м/с воздухом, до рабочей температуры на оболочке ТЭНа до 450 °C | 5,5 | Углеродистая сталь |
| K | Воздух и прочие газы и смеси газов | Нагрев в среде с движущимся со скоростью не менее 6 м/с воздухом, с рабочей температурой на оболочке ТЭНа свыше 450 °C | 6,5 | Нержавеющая жаропрочная сталь |
| Z | Жиры, масла | Нагрев в ваннах и др. емкостях | 3,0 | Углеродистая сталь |
| L | Литейные формы, пресс-формы | ТЭН вставленный в отверстия имеется гарантированный контакт с нагреваемым металлом. Нагрев с рабочей температурой на оболочке ТЭНа до 450 °C | 5,0 | Углеродистая сталь |
1.3. ТЭНы бытового назначения ГОСТ 19108—81
Рис. 3 Примеры конфигурации ТЭНов бытового назначения
 | ТЭНы для электрочайников. Мощность: 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: латунь, нержавеющая сталь, ст.10 с покрытиями |
 | ТЭНы для электросамоваров. Мощность: 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: латунь, нержавеющая сталь, ст.10 с покрытиями |
|
| ТЭНы для электроутюгов. Мощность: 1,0 кВт. Материал оболочки: ст.10, алюминий |
|
| Блок ТЭНов для электромаслянных радиаторов. Мощность: 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: ст.10 |
|
| ТЭНы для электроплиток. Мощность: 1,0 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь |
|
| ТЭНы для электрогриля. Мощность: 1,5 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь |
|
| ТЭНы для электроростера. Мощность: 0,8 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь |
|
| ТЭНы для электровафельниц. Мощность: 0,5 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь |
Таблица 1.1. Обозначение ТЭНов по ГОСТ 19108—81 (для бытовых электроприборов)
| Условное обозначение нагреваемой среды | Нагреваемая среда | Характер нагрева | Удельная мощность, Вт/см2, не более | Материал оболочки ТЭНа |
| Х | Вода, слабый раствор щелочей и кислот (рН от 5 до 9) | Нагревание, кипячение | 11,0 | Медь, латунь (с покрытиями) |
| П | Вода, слабый раствор щелочей (рН от 7 до 9) | Нагревание, кипячение | 11 | Хромо-никелевая сталь |
| Т | Воздух | Нагрев в спокойной воздушной среде | 5,2 | Хромо-никелевая сталь, до 700 °C на оболочке ТЭНа |
| О | Воздух | Нагрев в среде с движущимся со скоростью не менее 6 м/с воздухом | 5,0 | Углеродистая сталь, до 500 °C на оболочке ТЭНа, алюминиевые сплавы до 250 °C |
| И | Жиры, масла | Нагрев в ваннах и других емкостях | 3,0 | Углеродистая сталь, до 300 °C на оболочке ТЭНа |
| У-1 | Подошвы электроутюгов | ТЭНы залиты в изделия. Работа с термоограничителями, терморегуляторами, термовыключателями | 18,0 | Углеродистая сталь, до 500 °C на оболочке ТЭНа |
| У-2 | Подошвы электроутюгов, металлические плиты из алюминиевых сплавов, металлические формы (стальные и чугунные) | ТЭН вставлены в отверстия, запрессованы в изделия. Работа с термоограничителями, термовыключателями | 13,0 | Углеродистая сталь, до 500 °C на оболочке ТЭНа, алюминиевые сплавы — до 320 °C |
Таблица 1.2. Контактная часть ТЭНа
|
| Шпилька В комплекте: 2 гайки, 3 шайбы, изолятор | |
| Диаметр ТЭНа, мм | Шпилька | |
| 13 | М5; М4 | |
| 10 | М3; М4 | |
| 8; 8,5 | М3 | |
| 7,4; 6,5 | М2,5 | |
|
| Флажок нержавеющий, для ТЭНов с диаметром: 7,4; 8,0; 8,5; 10 мм | |
| Для ТЭНов с диаметром: 7,4; 8,0; 8,5; 10 мм | Флажок с отверстием, для ТЭНов с диаметром: 7,4; 8,0; 8,5; 10 мм, в комплекте: скоба (М4), винт (М4) | |
Таблица 1.3. Крепежная арматура ТЭНов
| Штуцер для ТЭНов с диаметром: | |||||
| Диаметр ТЭНа, мм | A, мм | B, мм | C, мм | Диаметр | Материал |
| 13; 10 | 30 | 25 | 5 | Тр 1/2" | Ст.10, нержавеющая сталь |
| 10; 8,5; 8,0 | 20 | 20 | 4 | М14х1,0 | Ст.10 |
| 7,4 | 16 | 18 | 2 | М10х1,0 | латунь |
|
| |||||
| Фланец резьбовой для ТЭНов с диаметром: | |||||
| Диаметр ТЭНа, мм | Диаметр | Материал | |||
| 7,4—8,5 | Тр11/2", 48х1,5, 48х2,0 | латунь | |||
|
| |||||
Таблица 1.4. Трубчатые электронагреватели для торгово-технологического оборудования
| № п/п | Форма ТЭНа | Тип | Мощность, кВт | Габариты, мм | Применяемость в оборудовании | |||
| А | Б | В | R | |||||
| 1. | Форма 1. (U-образный со штуцерами) | ТЭН42А13/1Р | 1 | 212 | 162 | 120 | 60 | КНЭ-25, 25М |
| 2. | ТЭН32А13/1Р | 1 | 178 | 128 | 65 | 32,5 | КНЭ-25М1 | |
| 3. | ТЭН60А13/2Р | 2 | 302 | 252 | 120 | 60 | КНЭ-50, КНЭ-50М | |
| 4. | ТЭН42А13/2Р | 2 | 228 | 168 | 65 | 32,5 | КНЭ-50М1 | |
| 5. | ТЭН100А13/4Р | 4 | 511 | 461 | 87 | 43,5 | КНЭ-100, КНЭ-100М | |
| 6. | ТЭН100А13/4Р | 4 | 300 | 250 | 120 | 60 | КНЭ100МН, КНЭ100Б | |
| 7. | ТЭН71А13/2,5Р | 2,5 | 195 | 145 | 120 | 52 | КПЭ-100 | |
| 8. | ТЭН79А13/2,5Р | 2,5 | 214 | 164 | 117 | 52 | КПЭ-125 | |
| 9. | ТЭН100А13/3,5Р | 3,5 | 320 | 270 | 117 | 52 | КПЭ160 | |
| 10. | ТЭН140А13/5,0Р | 5,0 | 400 | 350 | 60 | 31,5 | КПЭ250 | |
| 11. | ТЭН140А13/0,63С | 0,63 | 719 | 689 | 64 | 31,5 | ПСМ-4, ШЖЭСМ-2 | |
| 12. | ТЭН140Н13/0,8С | 0,8 | 708 | 638 | 100 | 43,5 | КПЭ-400 | |
| 13. | Форма 2. (прямой без штуцеров) | ТЭН93А13/1С | 1 | 990 | 930 | — | — | ФГ-20 |
| 14. 15. | Форма 3. (U-образный без штуцеров) | ТЭН60А13/2Р ТЭН67А13/2,5 | 2; 2,5 | 215 213 | 165 163 | 274 350 | 36,5 | ЛПС-17, ЛПС-3, МСЭ-84К, МСЭ-110К |
| 16. 17. | Форма 4. (грибообразный со штуцерами) | ТЭН68,5А13/2,5Р ТЭН68,5А13/3,2Р | 2,5; 3,5 | Длина 100 мм, расстояние между выводами 80 мм, наружный диаметр гриба 292 мм | КПЭ-40, КПЭ-60 | |||
| А — длина с выводами, Б — длина рабочей части, В — расстояние между выводами, R — радиус гиба. | ||||||||
2. Выбор спирали нагревательного элемента
Зная температуру и мощность спирали, размеры проволоки можно подобрать из табл. 2.1.
Таблица 2.1. Выбор нихромовой проволоки в зависимости от температуры и мощности
| Температура, °C | Мощность и длина проволоки | Диаметр, мм | |||||||||||||
| Спирали в изоляции из периклаза в канавках конфорки | Спирали в керамической изоляции пластинчатого элемента | Открытые спирали в воздухе | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | |
| 916 | — | 600 | кВт | 0,58 | 0,82 | 1,19 | 1,46 | 1,75 | 2,07 | 2,4 | 2,66 | 3,02 | 3,36 | 3,74 | 4,08 |
| м | 7,5 | 8,6 | 9,6 | 10,7 | 11,6 | 12,5 | 13,3 | 14,5 | 15,3 | 16,0 | 16,7 | 17,5 | |||
| 686 | 1140 | 450 | кВт | 0,55 | 0,75 | 0,95 | 1,16 | 1,39 | 1,62 | 1,88 | 2,13 | 2,33 | 2,66 | 2,93 | 3,23 |
| м | 9,1 | 9,5 | 12,0 | 13,3 | 14,5 | 15,8 | 17,9 | 18,2 | 19,3 | 20,3 | 21,4 | 22,2 | |||
| 610 | 886 | 350 | кВт | 0,47 | 0,62 | 0,82 | 1,03 | 1,16 | 1,35 | 1,55 | 1,75 | 1,95 | 2,18 | 2,41 | 2,66 |
| м | 10,8 | 11,0 | 14,2 | 15,9 | 17,5 | 19,1 | 20,5 | 22,1 | 23,5 | 24,7 | 26,1 | 26,9 | |||
| 457 | 750 | 300 | кВт | 0,42 | 0,57 | 0,72 | 0,89 | 1,05 | 1,21 | 1,39 | 1,58 | 1,76 | 1,98 | 2,18 | 2,4 |
| м | 11,8 | 12,9 | 15,5 | 17,4 | 19,2 | 21,0 | 22,7 | 24,2 | 25,9 | 27,2 | 28,8 | 29,7 | |||
| 382 | 638 | 250 | кВт | 0,37 | 0,48 | 0,65 | 0,76 | 0,91 | 1,05 | 1,21 | 1,37 | 1,53 | 1,7 | 1,9 | 2,0 |
| м | 13,6 | 15,7 | 18,2 | 20,4 | 22,5 | 24,7 | 26,6 | 28,4 | 30,5 | 32,0 | 33,7 | 40,1 | |||
| 305 | 507 | 200 | кВт | 0,33 | 0,42 | 0,54 | 0,66 | 0,78 | 0,9 | 1,03 | 1,16 | 1,3 | 1,45 | 1,6 | 1,74 |
| м | 15,4 | 18,5 | 20,9 | 23,5 | 25,9 | 28,4 | 30,6 | 32,8 | 35,2 | 36,8 | 38,6 | 45,5 | |||