Электрические ТЭНы — для чего служат и какие бывают

Устройство трубчатого электронагревателя (ТЭН)

Трубчатый электронагреватель (ТЭН) — электронагревательный прибор в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим электрическим изолятором. Точно по центру изолятора проходит токопроводящая нить (обычно нихромовая или фехралевая) определённого сопротивления для передачи необходимой удельной мощности на поверхность ТЭН.

Применяется во многих бытовых и промышленных электроприборах: чайниках, кипятильниках, стиральных машинах, водонагревательных и отопительных котлах, и т. д.

ТЭН был изобретён и запатентован 20 сентября 2019 года Джорджом Б. Симпсоном в Вашингтоне, округ Колумбия[1].

Виды ТЭН[править | править код]

Двухконцевой ТЭН электроплиты в виде спирали. Регулирование мощности

реостатным

переключателем или циклическим включением-отключением по времени

Одноконцевой ТЭН электроплиты в виде спирали с тремя нагревательными нитями разного

сопротивления

соединённых у глухого конца ТЭНа. Регулирование мощности сочетанием подачи тока на выводы переключателем (1

~

2

0

; 1

~

3

0

; 2

~

3

0

; 1

~

2

~

3

0

)

Трубчатые электронагреватели могут иметь различные диаметры в диапазоне от 6 до 24 мм. В зависимости от конкретного применения (нагревания жидкости или воздуха), при производстве ТЭНов используются электрические изоляторы (диэлектрики) различного качества, которые должны сохранять свои диэлектрические свойства при низких, высоких и экстремально высоких температурах.

По конфигурации ТЭНы разделяют на двухконцевые (когда контактные выводы расположены с двух сторон) и одноконцевые («патронные»)— с контактными выводами, расположенными по одну сторону нагревателя. В электрических котлах стоят, как правило, блоки тэнов, или, как их еще называют, «ТЭНБ».

  • Спиралевидно изогнутые двухконцевые ТЭНы конфорок электроплиты

  • ТЭН бытового электрокипятильника

См. также[править | править код]

  • Закон Джоуля — Ленца
  • Обогреватель масляный

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

  • ГОСТ 19108-73 «Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых электроприборов».
  • ГОСТ 19108-81. «Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых нагревательных электроприборов. Общие технические условия». Под рук. В. М. Фомина (Министерство электротехнической промышленности СССР). Утверждён Госстандартом СССР. М.: Издательство стандартов, 1990.
  • ГОСТ 13268-83. «Электронагреватели трубчатые (ТЭН). Общие технические условия». Министерство электротехнической промышленности СССР. Утверждён Госстандартом СССР. М.: Издательство стандартов, 1984.
  • ГОСТ 13268-88. «Электронагреватели трубчатые. Общие технические условия». Разработан: Министерство электротехнической промышленности СССР. Утверждён Госстандартом СССР. М.: Издательство стандартов, 1988.

Ссылки[править | править код]

Практически любой электронагревательный прибор оснащен нагревательным элементом той или иной конструкции. Используя один и тот же принцип — превращение электрической энергии в тепловую за счет нагрева проводника, — элементы очень различаются по типу и конструкции. Конструкция эта зависит от поставленных задач, условий работы и необходимой мощности конкретного нагревателя. Наибольшее распространение получили так называемые ТЭНы — трубчатые термоэлектронагреватели, изобретенные в XIX веке и с тех пор мало изменившиеся.

Как устроен трубчатый электронагреватель

Конструктивно термонагреватель представляет собой спираль из проводника с высоким удельным сопротивлением, свитым в спираль. Спираль помещается в металлическую или керамическую трубку той или иной формы, а свободное пространство внутри трубки заполняется специальной теплопроводной массой.

Как устроен ТЭН электрический

Эта масса служит не только для передачи тепла от спирали к трубке, но для и защиты самой спирали от окружающей среды, а также для электроизоляции. В отличие от открытой конструкции, когда токопроводящий материал открыт, такое устройство обеспечивает удобную и безопасную эксплуатацию нагревателя.

В отличие от приборов открытого типа (справа) трубчатые термоэлектронагреватели удобнее и безопаснее

Кроме того, трубчатая конструкция позволяет работать нагревателю непосредственно в агрессивных и токопроводящих средах, к примеру в воде.

Виды ТЭНов

Нагревательные элементы можно разделить на два вида:

  • воздушные;
  • водяные.

Воздушные ТЭНы, как можно догадаться из названия, предназначены для работы на воздухе и используются для непосредственного нагрева либо самого воздуха, либо тех или иных предметов, находящихся в воздушной среде. Подобные электронагреватели можно встретить в обычных электроплитках, духовых шкафах, комнатных обогревателях.

Назначение второго вида — нагрев жидкости. Такие нагреватели работают в электрочайниках, электротитанах, масляных или водяных отопительных системах. Отличным примером водяного ТЭНа может служить обычный бытовой кипятильник.

Классический пример водяного ТЭНа — обычный бытовой кипятильник

Отличия одного вида от другого невелики, но они есть. Прежде всего, водяной нагреватель отличается большим соотношением мощности к габаритам. Иными словами, он имеет высокую мощность при малых габаритах и площади поверхности. Обусловлено это тем, что прибор работает в среде с высокой теплопроводностью. Это позволяет быстро нагреть большой объем жидкости при минимальных затратах электроэнергии (меньше тепла в единицу времени расходуется на нагрев окружающего воздуха). Недостатком такой конструкции является то, что водяной ТЭН не может работать без погружения в рабочую среду (жидкость) — он сразу перегреется и сгорит, поскольку воздух имеет гораздо меньшую теплопроводность, чем те же вода или масло.

Воздушные же нагреватели имеют довольно большую площадь поверхности для своей мощности и не нагреваются так сильно, хотя внешне могут ничем и не отличаться от жидкостных.

Внешне ТЭН электрический водяной (слева) может ничем не отличаться от воздушного

Конструктивные отличия электронагревателей трубчатого типа

В зависимости от поставленных задач, нагревательные элементы могут сильно отличаться по конструкции. Они имеют не только различные мощность, размеры и форму, но даже различаются по материалам и внешнему виду.

Основные конструктивные типы нагревательных элементов следующие:

  1. Гладкие.
  2. Оребренные.
  3. С терморегулировкой.
  4. Блочные.
  5. Патронные.
  6. Кольцевые.

Гладкие нагревательные элементы

Они являются, по сути, универсальными и получили самое широкое распространение. Вы можете увидеть их в чайниках, мультиварках, электродуховках, плитах электрокаминах. Приборы этого типа относительно просты по конструкции, имеют умеренную стоимость и достаточно хороший КПД.

Оребренные ТЭНы

Их можно отличить по ребрам, которыми оснащена трубка элемента. Благодаря этим ребрам площадь прибора увеличивается в разы, а значит, устройства имеют повышенную теплоотдачу. Такие нагреватели, обладая высокой мощностью, могут успешно работать на воздухе без перегрева и позволяют существенно уменьшить габариты всего нагревательного устройства с сохранением его высоких характеристик и производительности.

Оребренный трубчатый электронагреватель

Оребренные конструкции используются для умеренного, но быстрого нагрева воздуха. Их можно встретить в электрокаминах (в том числе и с принудительной вентиляцией). Они же используются для воздушных тепловых заслонов в магазинах, цехах, на складах. Есть оребренные ТЭНы и во всевозможных относительно низкотемпературных сушильных печах.

ТЭНы с терморегулировкой

Этот класс приборов оснащается встроенными терморегуляторами, которые не только защищают сам ТЭН от аварийного перегрева, но и позволяют автоматически поддерживать температуру окружающей среды. При превышении заданной температуры специальный биметаллический контакт просто отключает питание нагревательного элемента и ждет, пока последний не остынет. Наибольшее применение такие типы нагревателей получили в конструкциях для нагрева жидкости — автоматических бойлерах, котлах, системах электрического отопления. Большинство из них (но далеко не все) имеют водяную конструкцию.

Электронагреватель со встроенным терморегулятором

Блочные ТЭНы

По сути, такая конструкция представляет собой несколько нагревателей, соединенных в один блок. Других особенностей этот тип нагревателей не имеет. Такие блоки используются для уменьшения габаритов оборудования с одновременным увеличением отдаваемой мощности.

Электрические ТЭНы, собранные в блок, имеют высокую мощность и одновременно небольшие габариты, поскольку все нагреватели отлично охлаждаются

Патронные нагреватели

Основное отличие такого типа нагревателя от классического — он имеет выводы питания на одной стороне и выполнен в виде патрона (стержня), плотно вставляемого в тонкостенную гильзу. При этом гильза крепится в самом приборе, а уж затем в нее вставляется нагреватель. Преимущества такой конструкции очевидны — вы можете произвести замену испорченного ТЭНа без слива рабочего тела. К примеру, вы можете быстро и просто заменить нагреватель в бойлере или котле, не сливая воду из системы водоснабжения и отопления. Такой тип приборов не получил особого распространения в быту, но широко используется в промышленности.

Патронный трубчатый электронагреватель

Кольцевые ТЭНы

По сути, они являются гибридом воздушного и водяного ТЭНа. Устройства надеваются на нагреваемый объект (скажем, трубу) сверху и, казалось бы, работают на воздухе, но благодаря специальной конструкции тепло отдают в основном стенкам трубы. Такие нагреватели очень удобны в эксплуатации, эффективны и легко заменяются. Кроме того, гибкая их конструкция позволяет быстро подгонять нагреватель под диаметр нагреваемого тела.

Нагреватель кольцевого типа

Материал трубчатых электронагревателей

Для изготовления нагревателей трубчатого типа сегодня используются самые различные и современные материалы. Сама спираль, как и прежде, изготавливается из материалов с высоким электрическим сопротивлением (нихром, константан, вольфрам и пр.), а вот материал корпуса (теплопередающей трубки) может быть самым различным. Сегодня в вашем распоряжении есть три типа нагревателей:

  • металлические;
  • керамические;
  • комбинированные.

Алюминий. Он используется в относительно недорогих водяных нагревателях. Относительно недорогой материал, не боится коррозии, легко обрабатывается. Поскольку ТЭН работает в воде, низкая температура плавления алюминия не является существенной. Единственный недостаток таких нагревателей — их низкая механическая прочность и, как следствие, высокая взрывоопасность. Если вы, к примеру, включите бытовой кипятильник, изготовленный из алюминия, на воздухе, то он взорвется в прямом смысле слова. То же самое произойдет и при выкипании воды в том же электрочайнике.

Сплавы стали. Сталь намного прочнее алюминия и взорвать такой нагреватель гораздо сложнее. Но железо плохо обрабатывается и, самое главное, подвержено коррозии. Тем не менее в воздушных ТЭНах сплавы железа работают весьма успешно. Для водяных нагревателей обычное железо, конечно, не подходит. Исключение может составлять лишь нержавеющая сталь.

Сплавы меди. Медь — отличный теплопроводник и используется для изготовления ТЭНов достаточно широко. Ее используют чаще всего для изготовления воздушных оребренных устройств, хотя существуют и обычные трубчатые электронагреватели для воздуха и даже воды.

Керамика. Исключительно прочный материал, не боящийся коррозии. Использование керамики ограничивает лишь относительно высокая сложность и стоимость изготовления. Но несмотря на это, керамические приборы существуют и успешно используются в приборах высоких классов и надежности.

Комбинированные. Такие электрические нагреватели, как ясно из названия, выполняются из нескольких материалов, дополняющих друг друга по своим свойствам. К примеру, существуют воздушные ТЭНы, изготовленные из стали, но имеющие медное оребрение. Этим достигаются умеренная стоимость изделия, относительно небольшой его вес и отличные теплопроводящие характеристики. Еще один пример — водяные «керамические» нагреватели в стиральных машинах. Сама трубка в таких приборах выполнена из стали, но покрыта слоем керамики. Таким образом, вы имеете умеренный по цене прибор с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах. Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности и излучения.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах. Нагрев различных сред осуществляется путем конвекции, теплопроводности и излучения. Существуют трубчатые электронагреватели (ТЭНы) различных типов и размеров для сред: вода, воздух, металл, масло, агрессивная среда. 

ТЭНы из стали 10 используются для нагрева воздуха, воды, нейтральных или щелочных растворов, масел, битума, литейных форм; из нержавеющей стали — воздуха, воды, пищевых продуктов, кислых растворов и агрессивных сред. Для повышения стойкости нержавеющих ТЭНов возможно применение трубки удвоенной толщины.

Стандартными формами для трубчатых нагревателей являются: прямая, U — образная, «скрепка».

Преимущества трубчатых электронагревателей по сравнению с другими типами нагревателей:

1. возможность эксплуатировать их при непосредственном контакте с нагреваемыми средами, которые могут быть газообразными и жидкими при давлении до 4,5 атм, а также твердыми;

2. надежность при вибрациях и значительных ударных нагрузках;

3. различные конфигурации, отсутствие напряжения на оболочке ТЭН трубчатых электронагревателей.

Средняя наработка до отказа:

ТЭН — трубчатые электронагреватели для нагрева воздушных сред – не менее 10000 часов;

ТЭН — трубчатые электронагреватели для нагрева жидкостных сред – не менее 2019 часов.

Конструкция двухконцевого трубчатого электронагревателя круглого сечения представляет собой расположенный внутри металлической оболочки нагревательный элемент (спираль или несколько спиралей из сплава с высоким сопротивлением) с контактными стержнями.

От оболочки нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным наполнителем. Для предохранения от попадания влаги из окружающей среды торцы ТЭН герметизируют. Контактные стержни изолируются от оболочки диэлектрическими изоляторами. 

Трубчатые электронагреватели патронные (тип ТЭНП)

Трубчатые электронагреватели патронного типа (ТЭНП) применяются для нагрева пресс-форм, литейных форм, термоплит, воды, жиров и масел, слабых растворов кислот и щелочей, воздуха и используются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках и бытовых нагревательных приборах. 

Конструкция трубчатого электронагревателя патронного типа представляет собой расположенный внутри металлической оболочки нагревательный элемент (спираль из материала с высоким сопротивлением) с контактными выводами, расположенными с одной стороны ТЭНП. От оболочки нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным наполнителем. Замыкания между витками спирали исключаются технологией изготовления.

Для предохранения от попадания влаги из окружающей среды торец ТЭНП со стороны контактных выводов герметизируют специальным герметиком. С противоположной стороны торец ТЭНП заглушен.

В основном ТЭНы патронного типа изготавливаются в оболочке из нержавеющей стали. Контактные выводы ТЭНП могут быть выполнены в виде жестких стержней или гибких проводов в термостойкой изоляции. 

 Трубчатые электронагреватели с оребрением (тип ТЭНР) 

Применяются в основном для нагрева движущегося или спокойного воздуха и используются в промышленных и бытовых электрокалориферах, конвекторах, тепловых пушках и в других установках. Реже оребренные ТЭНы применяются для нагрева жидкостей. Конструкция ТЭНР представляет собой двухконцевой трубчатый электронагреватель круглого сечения с плотно прилегающим к его активной поверхности оребрением, выполненным из стальной гофрированной ленты, навитой на оболочку ТЭН по спирали.

Оребрение изготавливается из ленты толщиной 0,3 мм , шириной 10 мм. С целью соблюдения однородности материала и недопущения разницы в коэффициентах теплового расширения оболочки ТЭН и оребрения, лента используется из нержавеющей или из углеродистой стали. Оребрение позволяет увеличить площадь поверхности и как следствие снизить ваттную нагрузку электронагревателя в 2 – 2,5 раза. ТЭНР могут быть прямые и согнутые (чаще всего в одной плоскости).

Активная часть ТЭНР должна полностью располагаться в зоне оребрения! 

Трубчатые электронагреватели угловые (тип ТЭНУ)

Трубчатые электронагреватели типа ТЭНУ представляют собой электронагреватели типа ТЭНП с жесткой организацией выводов под углом 90° к корпусу элемента. 

ТЭНы для агрессивных сред

ТЭНы из коррозионностойких металлов изготавливаются по условиям работы в конкретной емкости (вид раствора, концентрация, рабочая температура, время разогрева). Для оболочек стандартных ТЭНов кроме бесшовных труб из нержавеющей стали, рекомендуемой для слабых растворов кислот и щелочей, в агрессивных средах используется химстойкая сталь, а также такие металлы как медь, свинец, титан, цирконий и тантал.

ТЭНы для агрессивных сред фторопластовые (ЭНФ)

 Основные преимущества:

1.   Надежность и простота исполнения

2. Фторопласт — исключительно химически стойкий материал, который превосходит в этом отношении золото и платину, на который не действуют кислоты, щелочи, окислители и растворители

3.  Отсутствие возможности электрического пробоя и короткого замыкания (оболочка сама является электроизолятором);

4.   Практически нулевая адгезия (могут применяться для нагрева нефтяных топлив и масел; для работы в гальванических ваннах, химических агрегатах, для подогрева растворов в травильных электролизных ваннах и т.д. Фторопласт совершенно не горюч, абсолютно не гигроскопичен и относится к одним из лучших диэлектриков);

5.   Пластичность (можно придать ЭНФ любую конфигурацию вручную).

Блоки трубчатых электронагревателей (тип ТЭНБ)

Блоки ТЭН (ТЭНБ) применяются в основном для нагрева жидкостей и масла и используются в водонагревателях, парогенераторах, котлах и в других промышленных и бытовых установках.

Блоки используются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках, в электроустановках, эксплуатируемых на железных дорогах и судах. 

Конструкция ТЭНБ представляет собой один или несколько двухконцевых трубчатых электронагревателей герметично закрепленных на общем фланце. В зависимости от рабочего давления в установках ТЭНы крепятся к фланцу с помощью пайки или сварки. Фланцы изготавливаются из различных материалов (углеродистая сталь, нержавеющая сталь, латунь) и могут крепиться в комплектуемых установках различными способами ( резьба, шпильки, болты, прижимные пластины).

Конструкция блоков является неразъемной. Эксплуатировать блоки можно только в той среде, для которой они предназначены. Активная часть корпуса электронагревателей блоков должна полностью находиться в рабочей среде.

Трубчатые нагреватели практичны и надежны. В отличие от других типов нагревателей, их можно использовать в непосредственном контакте с рабочей средой. Причем работать они могут и в водной, и в воздушной, и в агрессивных щелочных или кислотных средах.