Выбор материала трубчатого электронагревателя и его спирали

От чего зависит выбор материала ТЭН?

Чтобы подобрать оптимальный нагреватель нужно обратить внимание на несколько ключевых факторов: Энергоэффективность, температура нагрева среды, физические параметры нагревателя и расчетный срок его эксплуатации. Каждый материал имеет свои плюсы и особенности. Зная их, вы сможете подобрать нагревательный элемент, который прослужит вам долго.

Трубчатые электронагреватели устанавливается в производственном оборудовании, в станках, водонагревателях, кухонных плитах, а также в различной бытовой и профессиональной технике и т.д. Он состоит из металлической трубки с размещенной внутри спиралью и заполнением из теплопроводящей изоляции. Технический регламент, возможные типовые исполнения, допустимый материал спирали тэна, корпуса и наполнителя указаны в ГОСТ 13268-88 и ГОСТ 19108 81. Выбрать подходящий ТЭН из металла можно с помощью нашего каталога, где представлены все выпускаемые модели, а если нужного варианта не найдется, то можно заказать изготовление по индивидуальному чертежу.

Пример чертежа ТЭНа

Почему важно подобрать подходящий материал?

Материал корпуса и спирали ТЭНов играет важнейшую роль, от которой будут зависеть эксплуатационные характеристики изделия, срок службы и устойчивость электронагревателя различным нагрузкам. Марка сплава позволяет нормировать химсостав и физические характеристики, включая прочность, электрическое сопротивление, коэффициент теплового расширения и проводимости, стойкость к процессам коррозии, воздействию агрессивных химических составов.

ТЭН из меди или нержавейки: какой лучше?

Это зависит от множества факторов, включая область применения и оборудование, в котором устанавливается нагреватель, рабочую среду, в которую он будет погружен, условия эксплуатации, нагрузки, периодичность включения, а также и ряд других параметров.

Рабочая среда может быть различной: это может быть вода, химический раствор с содержанием слабых кислот, щелочей, воздух, различные газы и газовоздушные смеси, масла, жиры. Некоторые виды сред могут находиться в спокойном или движущемся состоянии. В зависимости от вида и состава рабочей среды, необходимой ваттной нагрузки, а также с учетом требуемой прочности, осуществляют выбор материала трубки ТЭНа, который может быть следующим:

• нержавеющая сталь различных марок;
• черная сталь с нанесением никелевого, цинкового или хромового покрытия;
• медь и латунь;
• титан;
• алюминий.

ТЭНы из разных материалов

Важен не только выбор материала трубки ТЭНа, но и проволоки, которая может быть выполнена из них нихрома или фехраля. Прецизионные сплавы нихрома и фехраля широко применяются в электротехнической промышленности, в том числе используясь при производстве трубчатых электронагревателей.

Нихром содержит в своем составе около 80% никеля, а также хром и марганец. В состав фехраля входит железо, хром и алюминий. Оба вида сплавов обладают высоким удельным сопротивлением и температурой плавления.

Нихромовая и фехралевая проволоки

При этом нихромовая проволока является боле пластичной, а также имеет более высокое временное сопротивление разрыву. Фехраль обладает более высокой прочностью, однако и является более ломким по сравнению с нихромом. Намотка фехралевой проволоки может осуществляться только поле предварительного разогрева. Фехралевая спираль является более долговечной, способной выдержать большее количество циклов нагрева-охлаждения. Фехралевые спирали лучше подходят для серосодержащих сред, с высоким процентом углерода, а также глинозема. К преимуществам нихрома относится повышенная стойкость к агрессивным составам, способность длительное время работать в окислительных средах. Окончательный выбор должен осуществляться специалистами, с учетом особенностей и режимов работы ТЭН, рабочей среды и иных факторов. Большинство производителей бытовой и промышленной техники указывают в технической документации к ней требования к устанавливаемым ТЭНам, материалам корпуса и спирали.

Выбор материала спирали нагревателя ТЭН

Нихром — это сплав никеля и хрома в различных пропорциях (Ni-Cl). Чаще всего используется соотношение 80/20, причем 75-80% состава приходится на никель. Оставшийся процент приходится на долю железа и легирующих элементов. Легирование — это процесс улучшения физических, химических, технологических и прочностных качеств стали благодаря добавлению в ее состав различных химических элементов. Нихром легируют титаном, алюминием, марганцем и кремнием. Такой нихром выпускается под маркой Х20Н80. Его выпуск регулируется ГОСТ 10994-74.

Преимущества нихромовой спирали:

• жаропрочность — способность материала не разрушаться под воздействием высоких температур;
• жаростойкость, или окалиностойкость — способность сплава длительное время оказывать сопротивление газовой коррозии под воздействием высоких температур. Нихром Х20Н80 жаростоек в том числе в азоте и в аммиаке;
• высокое электрическое сопротивление;
• отсутствие образования поверхностных окислов даже при взаимодействии с агрессивной средой;
• долговечность: при корректной эксплуатации нихром марки Х20Н80 способен выдержать больше циклов включения-выключения, чем нихром других марок, либо фехралевые соединения;
• высокая пластичность. Нихром можно обрабатывать множеством разных способов: сваркой, штамповкой, точением и многими другими.

Недостатки нихромовой спирали:

• нестабильность сплава в серосодержащей среде;
• зависимость потенциала мощности ТЭНа от толщины спирали.

Последний пункт едва ли можно отнести к недостаткам. Скорее это общее свойство любых деталей, которые принимают участие в процессе энергообмена: так, чем выше толщина у корпуса ТЭНа, тем большей коррозиестойкостью он будет обладать.

Фехраль — сплав железа, хрома и алюминия, легированный титаном. Состав сплава — 70% железа, 23% хрома и 5% алюминия.

Достоинства фехраля:

• жаростойкость;
• экономичность;
• выдерживает взаимодействия с серной, углеродосодержащей и сернистокислой средой, вакуумом, высокоглинистой керамикой и водородом;
• не склонен к язвенной коррозии. Язвенная коррозия — это такой тип коррозии, который начинается с поверхности металла, и приводит к образованию небольших полостей в нем (питтингов);





Пример питтинговой коррозии



• высокое удельное электрическое сопротивление;
• длительный срок службы;
• предельная температура работы — 1400 градусов цельсия;
• низкая плотность.

Недостатки фехраля:

• хрупкость. Несмотря на обилие достоинств, по которым фехраль в несколько раз превосходит нихром, чаще используется именно нихром, так как резких динамических нагрузок фехраль не выдерживает.

Рекомендуемая максимальная рабочая температура нагревательного элемента из фехраля в воздушной среде также зависит от его диаметра (толщины):

• 0.2 мм — 950°С;
• 0.4 мм-1075°С;
• 1.0 мм-1225°С;
• 3.0 мм-1350°С;
• 6.0 мм и более — 1400°С.

Выбор материала поверхности ТЭНа

Выбор материала поверхности электронагревателя напрямую зависит от среды, в которой он будет работать. Существуют следующие типы сред, в которых могут быть использованы ТЭНы:

• спокойный воздух;
• подвижный воздух;
• вода;
• масла;
• вязкие жидкости и нефтепродукты;
• смешанные среды, например, металл-воздух или металл-воздух-влага;
• агрессивные среды, например, растворы кислот или щелочей.

Самый простой способ выбрать материал — обратиться к таблице обозначений рабочей среды ТЭН. Мы подробно расскажем вам о достоинствах и недостатках материалов, которые используются в большинстве перечисленных выше сред.

Рекомендации по выбору материала для водной среды

Чаще всего при выборе материала для водной среды, особенно если речь заходит о бытовых ТЭНах, неизбежно возникает вопрос: какой ТЭН лучше — медный или нержавейка? Рассмотрим особенности каждого вида электронагревателей.

1. Медный ТЭН



ТЭН из меди

Достоинства:

• высокая теплопроводность;
• быстрый нагрев воды;
• возможность изготовить ТЭН практически любой формы за счёт пластичности меди.

Недостатки:

• стоимость выше, чем у ТЭНа из нержавеющей стали;
• высокая склонность к окислению;
• отсутствие резистентности к солям хлора.

Таким образом, медный ТЭН идеально подходит для быстрого нагрева мягкой воды. В том случае, если цена электронагревателя играет значительную роль, а нагреваемая вода содержит ионы хлора, от меди лучше отказаться.

2. ТЭН из нержавеющей стали

Наиболее распространенный вариант материала для электронагревателей, применяемых в промышленности и в быту.



ТЭН из нержавеющей стали

Достоинства:

• прочность;
• устойчивость к статическим и динамическим нагрузкам;
• можно использовать в жесткой воде;
• химическая безопасность: нержавеющая сталь не изменяет состав воды;
• возможность выдержать высокую температуру нагрева;
• длительный срок службы;
• отлично поддается сварке, что обеспечивает высокое качество сварных швов, следовательно, увеличивает срок службы ТЭНа;
• устойчивы к работе в воде, содержащей много солей железа, даже в местах нарушения целостности изделия.

Недостатков у нержавеющей стали практически нет, именно этим и обусловлено ее широкое использование. Существует несколько видов нержавеющей стали:

• Аустенитные стали. В состав такой стали входит не менее 20% хрома и 4.5% никеля.
• Дуплексные стали. В них содержание хрома достигает 25%, 1,5% состава приходится на никель, и незначительная часть — на примеси азота.
• Ферритные стали. В их составе допускается до 29% хрома.
• Мартенситные стали. В них содержание хрома незначительное, не более 13%, а никеля максимум 4%.
• Многокомпонентные стали. Минимальное количество хрома и никеля и включают широкий спектр прочих примесей-усилителей.

Если от электронагревателя требуется длительная работа в условиях высокой влажности и температуры, например, как в парогенераторах, целесообразно использовать стали AISI 310 или AISI 316L.

Особенности стали AISI 310:

• тугоплавкая аустенитная сталь;
• высокая жаропрочность;
• высокая коррозиестойкость;
• широко применяется в условиях высоких температур;
• химический состав 20 — 26% — хром, 19 — 22% — никель;
• хорошая свариваемость;
• устойчивость к формоизменениям.

AISI 316L — конструкционная криогенная аустенитная сталь. Ее особенности таковы:

• устойчивость к коррозии в агрессивных средах;
• способность сохранять целостность структуры при повышении и понижении температур;
• не разрушается в парах уксусной кислоты;
• сплав железа и хрома образует на поверхности электронагревателя защитный слой, который обеспечивает материалу устойчивость к химическим и механическим воздействиям;
• химический состав: 16-18% — хром, 10-14% — кремний, сера, фосфор, углерод, титан, железо — в количествах менее 3%.

Таким образом, можно прийти к выводу, что сравнивать между собой ТЭНы из нержавеющей стали и меди — не совсем корректно. Гораздо логичнее использовать тот материал, который соответствует условиям работы электронагревателя: к примеру, для мягкой воды больше подойдут медные нагреватели, для хлорированной — из нержавеющей стали.

Однако перед промышленными электронагревателями встают более сложные задачи: нагрев большого количества неочищенной воды за короткое время. Промышленные водонагреватели должны отличаться более длительным сроком службы, большими мощностями и более высокой скоростью нагрева. Именно поэтому отличным решением для промышленных электронагревателей становится изготовление титановых корпусов.



3. ТЭНы из титана

ТЭН титановый

Достоинства:

• химически биологически инертен;
• устойчив к термическим и физическим нагрузкам;
• подходит для воды любого качества и состава;
• выдерживает высокие температуры;
• рассчитан на длительный срок службы.

Недостатки:

• высокая стоимость;
• ограниченное количество позиций на рынке.

Особенности выбора ТЭНа для масла

Выбор материала ТЭНа для масла во многом напоминает выбор электронагревателя для воды. Исключения, по сути, только два. Во-первых, масло необходим нагревать максимум до 240-250 градусов по Цельсию. При более интенсивном нагреве масло может воспламениться. Во-вторых, масло само по себе обладает обволакивающими свойствами, что является дополнительной защитой от коррозии. Благодаря этому становится возможным использование углеродистой стали в качестве материала для изготовления ТЭНа.

ТЭНы для масла можно использовать для нагрева воды, однако их нельзя использовать для нагрева воздушных сред: из-за разницы теплопроводностей газовой и жидкой среды масляный ТЭН на воздухе очень быстро перегорит.

Достоинства ТЭНа из углеродистой стали:

• невысокая стоимость;
• высокая прочность;
• хорошая обрабатываемость;
• длительный срок службы.

Основная причина выбора углеродистой стали — это сочетание простоты ее обработки, надежности и долговечности полученного изделия. Главным недостатком углеродистой стали считается невозможность работы при высоких температурах. Именно поэтому их так активно используют для нагрева масла.

Выбор ТЭНа для агрессивных сред

Нагреватели для агрессивных сред, как правило, подбираются с учетом её особенностей: является ли она щелочной или кислотной, какие элементы присутствуют в растворе, при какой температуре раствор будет подвергаться нагреву. Однако, основными материалами для изготовления ТЭНов для кислотной или щелочной среды являются:

• титан;
• фторопласт;
• кварцевое стекло.

Об особенностях титана было упомянуто выше.

Достоинства кварцевого стекла:

• устойчивость к кислой среде;
• термическая стойкость;
• устойчивость к резким перепадам температур;
• высокая теплопроводность.

Недостатки:

• хрупкость;
• высокая цена;
• неустойчивость к щелочным реактивам;
• высокая температура плавления.

Электронагреватели из кварцевого стекла и титана

Фторопласт — фторсодержащий полимер, который характеризуется высокой токоизоляцией. Его используют в качестве дополнительного покрытия трубчатых электронагревателей, которым предстоит работа в гальванических ваннах, в которых идут процессы омеднения, никелирования и хромирования. Фторопласт защищает работающий нагреватель от воздействия агрессивной среды, а ТЭНы с защитой из этого материала иногда называют ФЭНами.

Несмотря на то, что технически фторопласт не является материалом, из которого изготавливают трубчатые электронагреватели, о достоинствах и недостатках этого материала упомянуть стоит. Достоинства фторопласта:

• не окисляется;
• не подвержен коррозии;
• термостойкость: рабочая температура от −269 до +260;
• длительный срок службы;
• отличный диэлектрик;
• химически инертный;
• гигроскопичность;
• простота монтажа;
• возможность придать изделию любую необходимую форму;
• низкая горючесть.

Недостатки фторопласта:

• выделяет токсические вещества при нагреве более 300 градусов Цельсия;
• низкие адгезивные свойства;
• ползучесть при высоких нагрузках.

Один из дополнительных способов придать электронагревателю большую устойчивость к агрессивной среде — использование цельнотянутой трубы для изготовления корпуса ТЭНа.

Цельнотянутая труба

Что такое цельнотянутая труба? Цельнотянутая труба — металлическое изделие, на котором отсутствуют швы любого вида. Такой вид металлопроката считается одним из самых дорогих.

Преимущества цельнотянутых труб:

• высокая прочность;
• термостойкость;
• устойчивость к коррозии;
• устойчивость к агрессивным средам;
• идеально гладкая поверхность;
• абсолютная герметичность;
• длительный срок эксплуатации;

Недостатки:

• цена.

Цельнотянутые трубы дороги, но они полностью окупают себя за счет долгого срока эксплуатации.

Особенности выбора воздушного ТЭНа

Трубчатые нагреватели для воздушных сред могут быть двух видов: либо с оребрением, либо без него.

Неоребренный ТЭН и ТЭН с оребрением

Некоторые ТЭНы для нагрева воздуха обладают одной особенностью конструкции, которая позволяет им быстро передавать температуру на массивные воздушные потоки. Эта особенность — оребрение металлической лентой. Что такое оребрение? Это гофрированная стальная лента, навитая и припаянная на поверхность внешней оболочки ТЭНа. Вот так выглядит оребренный электронагреватель:

Оребрение позволяет увеличить площадь поверхности, передающей воздуху нагрев, что снижает ваттную нагрузку на ТЭН в 2-2,5 раза. Такие нагреватели используются для подвижного воздуха со скоростью движения более 6 м/с. Для оребрения используют следующие материалы:

• нержавеющая сталь AISI 304;
• углеродистая сталь.

Об особенностях углеродистой и нержавеющей стали мы уже упоминали, распространяются они и на вопросы выбора материала для оребрения воздушных ТЭНов.

Достоинства стали AISI 304:

• пластичность;
• устойчивость к работе под давлением;
• высокие показатели антикоррозийности в широком диапазоне температур и сред;
• высокая вязкость;
• легкость;
• упругость.

Сталь AISI 304

Вне зависимости от среды, для которой вы выбираете материал ТЭНа, существует ряд общих закономерностей:

• чем толще стенка корпуса ТЭНа, тем более устойчивой к химическим и температурным воздействиям она является;
• чем меньше на корпусе ТЭНа сварных швов, тем он устойчивее к любым видам нагрузки, как физической, так и химической;
• чем больше цифровое значение в маркировке стали AISI, тем выше ее жаропрочность.

Как должен выглядеть качественный ТЭН

При выборе ТЭНа необходимо руководствоваться не только ценой, но и учитывать ряд других факторов, включая производителя, технику или оборудование, в которой он будет установлен и т.д. Материал корпуса ТЭНов должен быть прочным и хорошо проводить тепло, быть устойчивым к коррозии, образованию накипи.

ТЭН со следами накипи

Следует отдавать предпочтение продукции известных брендов производителей, которая проходит все виды контроля, комплекс приемосдаточных испытаний и сертификацию. Это гарантирует полное соответствие заявленным характеристикам, мощность и КПД, низкое энергопотребление, длительный срок службы.

Как проверить качество изготовления ТЭНов:

• сверить маркировку и комплектацию;
• произвести визуальный осмотр, убедиться в отсутствии сколов и царапин на корпусе, целостности контактов и т.д.;
• провести проверку работоспособности, скорости нагрева, потребляемой мощности и других характеристик.

Если нужен нетипичный нагреватель

Производство трубчатых электронагревателей в компании «Марион» осуществляется из качественных материалов, с соблюдением требований ГОСТ. В нормативах указаны возможные типовые исполнения и размеры. При необходимости приобретения нестандартного нагревателя, он может быть изготовлен по требованиям заказчика. Специалистами будут выполнены все необходимые расчеты и инженерные изыскания, подготовлена проектная документация и чертежи, оформлены необходимые согласования в соответствующих инстанциях. Можно заказать изготовление ТЭН с различными размерами, материалами корпуса и спирали. Обратившись к специалистам производственной компании «Марион», вы получите необходимые консультации, а также сможете оформить заявку на выпуск ТЭН нужной конфигурации с полным пакетом технической документации.

Специалисты ПК «Марион» могут проконсультировать вас как по вопросам выбора трубчатого электронагревателя, так и по особенностям его подключения и эксплуатации.