Устройство ТЭН: конструкция и принцип работы трубчатого нагревателя

Устройство электрического ТЭНа

Конструкция ТЭНов включает в себя следующие составляющие:

• металлическая трубка;
• спираль;
• наполнитель;
• керамический изолятор;
• контактный стержень.

Спираль полностью загерметизирована в металлической трубке и соединена с контактным стержнем, наружный край которого имеет необходимые выступы для соединения с элементом, подающим электрический ток. Такая конструкция ТЭНов исключает возможность короткого замыкания и обеспечивает равномерное распределение нагрева по всей поверхности металлической трубки.

Изолирующим наполнителем спирали от трубки тэна, является периклаз, минерал состоящий из оксида магния иногда с примесями оксида железа, оксида марганца и оксида цинка. Устройство ТЭНа для водонагревателя, бойлера или промышленного бака будет одинаковым.

Металлическая трубка нагревателя изготавливается из сплавов:

• чистой латуни (рис. 1) и меди (рис. 2). Эти материалы трубки ТЭНов обязательно используются с покрытиями;
• стали. Сталь может быть как нержавеющая (рис. 3), так и углеродистая (рис. 4), это зависит от особенностей конструкции и работы ТЭНа;
• алюминия (рис. 5).

Она может иметь различный диаметр, от 6 до 19 мм. Конструкцию блочного тэна возможно укомплектовать датчиком температуры и предохранителем от перегрева.

Выбор металлов и их сплавов зависит от рабочей среды ТЭНа.

Это могут быть щелочи и кислоты, воздух с низкой и высокой концентрацией активных газов, различные металлические поверхности, которые будут соприкасаться с ТЭНом, жировые соединения и водные растворы.

В качестве нагревательного элемента выступает токопроводящая фехралевая или нихромовая спираль.

Фехралевая спираль представляет собой железный сплав с добавками меди, марганца, алюминия, титана и других металлов. Основными достоинствами спирали из фехраля или его разновидностей (еврофехраля, суперфехраля) являются низкая цена, высокое удельное сопротивление и жаропрочность.

Спираль из нихрома представляет собой сплав никеля и хрома и обладает теми же характеристиками, что и фехралевая, но основное отличие фехралевой и нихромовой спиралей — в открытом виде удельная температура работы: фехралевая спираль выдерживает максимальный разогрев до 1400 °С, а спирали из нихрома до 1200 °С.

Контактный стержень может иметь патронную либо одноконцевую форму. По сфере эксплуатации часто различают воздушные, водные или масляные ТЭНы. Нагревательные элементы, которые используются в различных газообразных сферах, также относят к воздушным.

Принцип работы ТЭНа

Знание конструкции ТЭНа необходимо для понимания принципа его работы. Спираль, расположенная внутри теплового нагревательного элемента, специально изготовляется из термоэлектрического сплава. Это свойство позволяет ей проводить через себя электрический ток, сильно нагреваясь, но не расплавляясь при этом. Материал, который окружает спираль — диэлектрик, благодаря ему тепло не только отлично передается в соседние среды, но и распределяется по ней, что обеспечивает равномерное прогревание металлической оболочки, и, как следствие, рабочей среды ТЭНа.

Преимущества и недостатки ТЭНов

Популярность электрического нагревательных элементов подобного плана обусловлена их высокой надежностью, разнообразием форм, длительным сроком эксплуатации, возможностью работать в самых разных условиях, как в бытовых, так и в производственных приборах и установках.

• универсальность — ТЭНы используют практически во всех сферах промышленного и народного хозяйства;
• широкий выбор сред работы — в силу достаточно значительного диапазона рабочих температур, верхний предел которого может достигать 650 градусов Цельсия, ТЭНы можно использовать в установках инфракрасного, кондуктивного и конвекционного нагрева;
• надежность — апробированная более чем за столетие конструкция ТЭНов была методом проб и ошибок приведена к оптимальным пропорциям и параметрам сплавов, размеров, соотношений всех элементов;
• безопасность обслуживания;
• низкая взрывоопасность;
• не боятся вибраций, ударов, перепадов температур и давления;
• доступность и широкий ассортимент.

Недостатки:

• при использовании в качестве материала спирали и трубки сплавов никеля, меди, других дорогостоящих металлов, повышается цена ТЭНа;
• невозможность ремонта в случае выхода из строя. Принцип работы электрического ТЭНа подразумевает, что после серьезных поломок конструкцию проще заменить, чем чинить;
• склонность к образованию налёта;
• ограниченный срок службы.

Методика расчета спирали нагревателя ТЭНа

Самый простой способ расчета спирали — по таблице токовых нагрузок. Если такой способ по каким-либо причинам не может быть использован, то следует обратиться к формуле допустимой удельной мощности, которая является соотношением мощности нагрева спирали в Вт к площади поверхности спирали. Расчет выполняется в зависимости от температуры поверхности нагревателя и скорости отведения от нее тепла.

Максимально возможная мощность подбирается в зависимости от следующих показателей:

1. Диаметр оболочки тэн.
2. Материал оболочки тэн.
3. Среда эксплуатации.
4. Развернутая длина трубки тэн.
5. Длина греющей части.

Нарушения удельной мощности ТЭНа

Для того чтобы ТЭН работал в рамках эксплуатационных параметров необходимо, чтобы удельная мощность соответствовала допустимым нормам. Значительное превышение или снижение удельной мощности может привести к сбоям в работе элемента. Если при снижении мощностей ТЭН не сможет обеспечить необходимую теплоотдачу, то в случае значительного увеличения мощности он может перегореть и потребуется его замена.

Итоги

Устройство ТЭНа — продукт многолетней разработки. Долгий путь его создания привел к тому, что конструкция трубчатого нагревательного элемента позволяет получить максимум тепла при минимальных затратах и вложениях, недостатки этого типа нагревательных элементов весьма условны и легко решаемы, а расчеты, необходимые для корректной эксплуатации, просты в выполнении.