Трубчатые электронагреватели для обогрева бань

Наибольшие неудобства электрических спиралей проявлялись при нагреве воды. Решение было найдено с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭНов), изготовляемых в виде стальных или алюминиевых трубок, внутрь которых вдевались спирали с керамическими бусами (рис. 172,а), или со слюдой, асбестом и т. д. Такие ТЭНы ещё и сейчас можно встретить в эксплуатации и даже в продаже. Несмотря на сложность сборки (особенно при сложных формах трубки, сгибавшейся в основном до закладки в неё спирали с бусами), такие ТЭНы в ряде случаев были очень удобны из-за того, что допускали разборку, сборку и ремонт на месте.

Рис. 172. Принцип устройства трубчатого электрического нагревателя (ТЭНа)
Рис. 172. Принцип устройства трубчатого электрического нагревателя (ТЭНа): а — устаревшая конструкция с фарфоровыми бусами, электроизолирующими нихромовую спираль трубки; б — современная конструкция с электроизолятором в виде засыпки порошком тугоплавкой окиси. 1 — металлическая трубка (например, стальная), 2 — керамические изоляционные кольца (бусы), охватывающие спираль, 3 — нихромовая спираль, 4 — фарфоровый торцевой изолятор, закреплённый на трубке, 5 — токоподводящий зажим болтовой со сквозным проходом нихромовой проволоки, 6 — токоподводящий зажим болтовой с болтовым закреплением проволоки, 7 — порошок диэлектрической окиси, 8 — металлическая трубка (например, из нержавеющей стали или коррозионностойкого сплава «инкаллой», или латуни, или алюминия), 9 — нихромовая проволока или лента, 10 — электроизолирующий герметик (пластмасса, стекло, керамика), 11 — металлический контакт, напрессованный чулком на конец проволоки.

В последние десятилетия разборные ТЭНы были вытеснены неразборными конструкциями (рис. 172,б), которые стали основной покупной элементной базой вместо спиралей. Суть технического решения состоит в следующем. В вертикально удерживаемую металлическую трубку вдевают и точно центрируют по оси (в том числе дополнительной вспомогательной трубкой, временно вставляемой в трубку) металлическую проволоку или спираль так, чтобы проволока или спираль не касались трубки. Затем трубку с виброутряской засыпают некомкующимся, хорошо сыпучим (лучше сфероидизированным и суспендированным в воде) диэлектрическим тугоплавким порошком. После этого металлическую трубку обжимают (катают, сдавливают) с уменьшением диаметра, например, с 15 мм до 12 мм и ещё меньше, в результате чего порошок в трубке уплотняется, причём в основном во внешних слоях) и прочно фиксирует спираль, не допуская её касания стенок. Концы спиралей обжимаются в металлических токопроводящих мундштуках-контактах и уплотняются герметиком. Ценным свойством такой конструкции является возможность согнуть её кольцами или спиралями (из-за сыпучести порошка) в компактную конструкцию. Ясно, что чем ближе спираль к трубке и чем плотнее порошок между спиралью и трубкой, тем лучше ТЭН. Так что технология изготовления ТЭНов сложна и ответственна.

В настоящее время ТЭНы выпускаются сотнями предприятий по всему миру для тысяч назначений. Поэтому конструкции их бывают самыми разнообразными. Для нагрева воды (кипятильники, чайники, котлы, стиральные и посудомоечные машины и т. п.) и масла (электрообогреватели, полотенцесушители и т. п.) при температуре до 100°С используются алюминиевые, латунные, стальные никелированные трубки, кварцевый песок и пластмассовый или стеклоэмалевый герметик. Для нагрева воздуха при температурах 100-500°С используются стальные (в том числе нержавеющие) трубки, порошки плавленной окиси кремния (кварца) или периклаза (окиси магния), легкоплавкое стекло в качестве герметика. Для инфракрасных нагревателей с температурами 500-900°С используются жаростойкие трубки из хромистых сталей (в том числе из сплава «инкаллой») с керамическим покрытием, порошки высокочистой плавленной окиси магния и керамические спекаемые герметики.

Рис. 173. Водонагревательные приборы на основе ТЭНов
Рис. 173. Водонагревательные приборы на основе ТЭНов: а — водонагревательный ТЭН в сборе, б — электрочайник (водонагреватель накопительный), в — проточный водонагреватель, г — накопительный (беспроточный) водонагреватель, водогрейный бак (или масляный воздухонагреватель), д — проточно-накопительный водонагреватель. 1 — стенка ёмкости с водой, имеющая отверстие для крепления ТЭна, 2 — герметизирующая прокладка (резиновая, пластиковая, паронитовая и т. п.), 3 — фланец ТЭНа, 4 — трубка ТЭНа, согнутая в спираль, 5 — прижимная (упорная) шайба, 6 — болтовое крепление ТЭНа, 7 — герметичное крепление трубки с фланцем с помощью сварки или пайки.

ТЭНы для нагрева воды преимущественно выпускаются для стационарной установки в подводном положении (рис. 173), хотя выпускаются и погружные кипятильники, временно опускаемые сверху в ёмкости с водой любой конструкции. ТЭНы для подводного монтажа имеют фланец 3, герметично соединяемый с трубкой 4. В ёмкости с водой 1 делается отверстие, которое через уплотнительное кольцо 2 закрывается фланцем 3, притягиваемым с помощью болтовой системы 6. Как правило, трубка ТЭНа свивается в компактный по размерам узел (рис. 173 б, в, д), чтобы он поместился в ёмкости с водой. Однако, в ряде случаев бывает желательна протяжённая конструкция (рис. 173,г).

Рис. 174. Воздухонагреватели на основе ТЭНов
Рис. 174. Воздухонагреватели на основе ТЭНов: а, б — электроконвекторы; в,г — банные электропечи-каменки; д,е — теплоаккумулирующие воздухонагреватели. 1 — ТЭН, 2 — крючок для подвеса (крепления) ТЭНа, 3 — подвод холодного воздуха, 4 — вывод горячего воздуха через отверстия (перфорации) в корпусе, 5 — камни, 6 — корпус каменки (в том числе экранированный), 7 — термостойкая теплоизоляция (базальтовая вата, перлит), 8 — теплоёмкий сердечник, теплоаккумулирующие термостойкие массивные блоки (например, магнезитовые) или обычные керамические кирпичи нагреваемые до 600-650°С, 9 — экран, 10 — вентилятор.

ТЭНы для нагрева воздуха (а также камней) герметичного крепления обычно не требуют (рис. 174). Даже в случае каменок для саун предусматривается лишь защита от потоков воды сверху вниз. В ряде моделей эта защита отсутствует, поскольку предполагается, что воду льют только на горячие камни, а они, мол, воду вниз не пропускают. К сожалению, протечки воды сквозь раскалённые камни на пол являются обычным событием. Поэтому ТЭНы для каменок делают не U-образными, а широкими П-образными на всю ширину каменки с тем, чтобы в центральной зоне камней, куда льют воду, располагался горизонтальный участок (чаще всего волнистый) ТЭНа и отсутствовали бы токоподводящие контакты (рис. 174,г). В связи с этим отметим, что ТЭНы, располагающиеся в воздухе (правая часть рисунка 174,в), постоянно находятся примерно в одних и тех же условиях теплоотдачи, а ТЭНы, располагающиеся в глубине засыпки камней (левая часть рис. 174,в), претерпевают сильные изменения теплоотдачи. Действительно, в начальный период после включения каменки холодные камни отбирают тепло с поверхности ТЭНа более интенсивно, чем холодный воздух. В заключительные же периоды прогрева каменки горячие камни уже не в состоянии отобрать тепло с поверхности ТЭНа, поэтому последний перегревается. Ситуация, в общем-то, аналогична той, которая имеет место в топке кирпичной дровяной печи, когда раскалённые стенки печи уже не могут поглощать тепло от огня. Поэтому ТЭНы для каменок (а также для теплоаккумулирующих воздухонагревателей) должны иметь повышенную термостойкость или автоматически отключаться (регулироваться) при перегреве. Особенно опасны местные перегревы, которые не могут контролироваться обычной автоматикой с единым температурным датчиком. Поэтому предприятия-изготовители электрокаменок обращают внимание покупателей на недопустимость размещения в местах сгибов трубок ТЭНов скоплений мелких камней, которые в засыпке имеют пониженную теплопроводность, не могут отвести тепло от поверхности ТЭНа (точно так же, как и песок), вследствие чего являются причиной местного перегрева трубки ТЭНа. Электрокаменки для домашних саун имеют номинальную мощность (3-12) кВт, для общественных саун («профи») — (12-30) кВт.

ТЭНы для инфракрасного нагрева в быту всегда пользовались дурной славой у населения из-за высокой пожароопасности: температура поверхности ТЭНов свыше 500°С могла вызвать воспламенение бумаги, древесины, тканей. Тем не менее из-за очень низких цен инфракрасные обогреватели пользовались успехом. Наиболее известными у нас в быту были переносные спиральные лучистые нагреватели (электрокамины), а также ТЭНовые инфракрасные обогреватели по конструкции похожие на электрокалориферы (рис. 174,а), только имеющие защитное металлическое сетчатое ограждение. Воздухонагревательные ТЭНы для них мощностью 2 кВт производятся и продаются поныне по очень низкой цене. В промышленности требовались высокотемпературные инфракрасные излучатели большой единичной мощности (10-100) кВт для потолочных систем лучистого обогрева производственных цехов, для сушки листовых материалов, для высокотемпературной полимеризации лакокрасочных покрытий, в частности, автоэмалей и т. п. Поэтому жаростойкие стальные трубки ТЭНов стали дополнительно защищаться сверху от окисления напылёнными или химически осаждёнными слоями окисной, карбидной или нитридной керамики. Кстати, наличие керамического покрытия на поверхности ТЭНов удачно (по мнению продавцов) обыгрывается коммерческой рекламой: мол, засыпка порошка периклаза внутри ТЭНов «вырезает» из излучения электрической спирали узкий спектральный диапазон, затем слои инкаллоя и поверхностной керамики «вырезают» из этого узкого диапазона ещё более узкие спектральные диапазоны, в результате чего получают излучение с длиной волны, например, строго 10 мкм, являющейся «резонансной» для человеческого организма, вследствие чего инфракрасные «сауны» и кабины являются (по мнению «физиотерапевтов и передовых врачей») столь полезными для здоровья. В действительности же, в этих «научных» рассуждениях всё является неправдой от начала до конца: материалы ТЭНов никаких спектральных областей прозрачности не имеют, свойств «резонансности» организм не имеет, полезность инфракрасных кабин в серьёзной медицине не установлена.

Рис. 175. Инфракрасные ТЭНы и лампы
Рис. 175. Инфракрасные ТЭНы и лампы: а —ТЭН с нихромовой нитью накаливания и керамической неэлектропроводной трубкой; б —лампа накаливания с цилиндрическим трубчатым баллоном; в — линейная газоразрядная металлогалогеновая лампа; г — керамический электропроводный штифт; д — потолочный рефлектор (отражатель); е — потолочная тепло-излучающая кассета (панель); ж — электропечь-каменка с кварцевыми ТЭНами (ООО «Электропечь»); з — электропечь-каменка муфельная с керамическими (фарфоровыми) ТЭНами. 1 — клеммы (контактный узел болтовой, штырьковый, резьбовой патронный и т. п.), 2 — спираль из нихромовой проволоки, 3 — керамическая диэлектрическая прямая трубка (или изделие сложной формы) из шамота, фарфора, кварца и т. п., 4 — колба (баллон) из оптического плавленного кварца (кварцевого стекла), 5 —стеклянная трубка с люминофором, 6 — кварцевая газоразрядная лампа (ампула, трубка), 7 — стержень (штифт) из токопроводящей керамики, 8 — трубчатый инфракрасный источник, 9 —параболический отражатель из полированного или никелированного металла, в частности из анодированного зеркального алюминия, 10 —ход лучей в отражателе, преобразующихся в направленный луч (пучок) света, 11 — теплоизолирующая кассета, препятствующая уходу тепла вверх в потолок и ограничивающая распространение инфракрасных лучей в стороны и вверх, 12 — термостойкая теплоизоляция (песок, перлит, базальтовая вата), 13 — ТЭНы с нихромовой нитью и керамическими нетокопроводными трубками, 14 — каменная засыпка, 15 — ТЭНы с кварцевыми трубками, 16 — экран, задерживающий инфракрасное излучение от раскалённого корпуса печи.

Применение металлов и их сплавов в высокотемпературных ТЭНах не оправдано, поэтому до сих пор живы и даже развиваются ТЭНы с термостойкими диэлектрическими трубками (рис. 175). Прежде всего, это наиболее древние решения из электротехнических сортов фарфора (щелочных алюмосиликатов), шамота, непрозрачного кварца. Такие ТЭНы по-прежнему широко применяются в промышленных печах производственного назначения (рис. 175,а). Во-вторых, это электроосветительные приборы, которые являются оптическими и неминуемо содержат инфракрасную (тепловую) составляющую спектра излучения. Усугубляя недостатки осветительных приборов путём уменьшения доли светоотдачи в видимом диапазоне (в том числе снижением температуры излучателя) можно обеспечить нужные характеристики излучения инфракрасного диапазона.

Осветительные приборы подразделяются на лампы накаливания (рис. 175,б), газоразрядные лампы (рис. 175,в) и излучающие штифты — керамические стержни (рис. 175,г). Лампы накаливания представляют собой нить (тонкую проволочку) из металла, разогреваемую протекающим током до высоких температур (выше 1200°С), когда свечение нити становится видимым (теряет красные и жёлтые цвета и становится белым). Для предотвращения окисления нить накаливания обычно скручивают в спираль, помещают в колбу из стекла, либо вакуумируемую, либо заполненную инертной газовой средой (обычно 86% аргона и 14% азота или 86% криптона и 14% азота). Бытовые лампы накаливания обычно выполняются с круглым (грушевидным) баллоном (колбой) с односторонним токоподводом в виде резьбового цоколя диаметром 14, 27 или 40 мм. В настоящее время нити ламп накаливания изготавливают из вольфрама, причём короткие (компактные) спирали приходится изготавливать из очень тонкой проволоки. Температура плавления вольфрама очень высока 3380°С, но реализовать такую температуру даже в инертной газовой среде не удаётся. Так, в вакууме уже при 2200°С вольфрам быстро испаряется, и поверхность колбы чернеет. В среде криптона с азотом температуру вольфрамовой нити можно поднять до 2400°С, но всё равно через год эксплуатации колба темнеет, а нить утоньшается и перегорает. Наиболее совершенной конструкцией является галогеновая лампа накаливания. Это в общем-то самая обычная вольфрамовая лампочка, внутри колбы которой помещают небольшое количество кристаллического йода (который относится к химическому классу галогенов-галоидов). Напомним во избежание недоразумений, что бытовой медицинский «йод» является 5%-ым раствором йода в этиловом (пищевом) спирте, а элемент йод является кристаллическим порошком тёмно-фиолетового цвета с температурой плавления 114°С и кипения 186°С (при давлении в 1 атм). При нагреве лампы пары йода соприкасаются с вольфрамом, осаждённым на стенках лампы, и образуется летучий йодистый вольфрам. Это соединение в виде пара образуется уже при сравнительно низких температурах 100-200°С, но при температурах выше 2000°С, попадая в зону раскалённой нити, йодид вольфрама разлагается на йод и вольфрам. Последний осаждается на нить, а йод в виде газа (пара) перемещается к стенкам колбы и вновь вступает в реакцию с вольфрамовым налётом на колбе. Поэтому нить в процессе работы лампы практически не утоньшается, а стенки колбы остаются чистыми. Это позволяет существенно поднять температуру нити до 2800°С и значительно повысить световую отдачу. На практике это даёт возможность кардинально уменьшить размеры ламп и выполнять их в миниатюрном исполнении (например, для фар автомобилей или точечной подсветки в жилых помещениях). Всё это может быть использовано и в теплотехнических целях. Несмотря на то, что лампы накаливания испускают интенсивный белый свет, максимум излучения приходится на А-инфракрасный диапазон (0,95 мкм при 2800°С), причём три четверти светового потока испускается в спектральной области более 0,95 мкм. Все знают, как жарко светят театральные и телевизионные «юпитеры» (так назывались первые киносъёмочные модели осветительных прожекторов).

Инфракрасные лампы накаливания для тепловых воздействий имеют удлиненную (линейную) цилиндрическую колбу (рис. 175,б) и помещаются в фокус рефлектора из зеркального анодированного алюминия (рис. 175,д). Колбы предпочтительно изготавливать из плавленного оптического кварца (чистой окиси кремния, имеющей температуру плавления порядка 1700°С), обеспечивающего прозрачность колбы для длинных волн излучения до 4 мкм (рис. 176). В качестве нити накаливания в последние годы стали использовать вместо вольфрама углеродную (карбоновую) нить, промышленный выпуск которой налажен уже в нескольких странах для производства особо прочных термостойких композитных материалов (температура эксплуатации углерода до 3600°С). Вместе с тем, для дешёвых бытовых излучателей может использоваться и нихромовая проволока, способная нагреваться до 1000-1100°С и давать жёлтое свечение с максимумом излучения на длине волны около 2 мкм. В качестве электропроводника можно использовать и ионизированный газ-плазму, возникающую при электрическом пробое газа в колбе. Пробой и последующий газовый разряд легко осуществляется при пониженных давлениях газа порядка 0,1-1 мм рт. ст. Простейшие газоразрядные лампы низкого давления известны как «неоновые» рекламные трубки, использующиеся для оформления светящихся надписей, например, над магазинами. Заполнение колб неоном даёт красный цвет излучения, гелий в зависимости от давления даёт розовый, жёлтый и зелёный цвета, аргон, ксенон и криптон дают различные оттенки голубого цвета. Но это только при протекании через газы электрического тока: в лампах накаливания газы в колбе не светятся, поскольку для возбуждения атомов газов требуются удары энергичных электронов. Для повышения интенсивности излучения в инертные газы добавляют ртуть, дающую мощные ультрафиолетовые лучи. Для перевода ультрафиолетовых лучей в видимые лучи используют слой люминофора, наносимый на внутреннюю стенку колбы. Такие осветительные газоразрядные ртутные лампы называются люминесцентными (в быту — лампами дневного света) и выпускаются номиналом от 6 до 150 Вт (и не более даже в случае большой длины колбы 1 метр и более). Теплового излучения люминесцентные лампы не дают, что и обуславливает их высокий КПД по видимому излучению.

Рис. 176. Спектральная прозрачность слоев воды (1), оконного стекла натриевого (2), кварца плавленного оптического (3) и флюорита — фторида кальция CaF₂ (4).
Рис. 176. Спектральная прозрачность слоев воды (1), оконного стекла натриевого (2), кварца плавленного оптического (3) и флюорита — фторида кальция CaF₂ (4).

Более мощные ртутные газоразрядные лампы, пригодные для освещения улиц, основаны не на слабомощном тлеющем разряде низкого давления, а на мощном дуговом разряде высокого давления. Разряд возбуждается в герметичной кварцевой ампуле при низком давлении газа, затем из-за нагрева газа и испарения ртути давление в ампуле возрастает, и разряд из тлеющего переходит в дуговой режим. Кварцевая газоразрядная ампула помещается в стеклянную вакуумируемую колбу с внутренним слоем люминофора. Такие лампы марки ДРЛ с круглой колбой и резьбовым цоколем выпускаются номиналом от 50 до 2000 Вт. Разновидностью таких ламп являются металлогалогенные лампы ДРИ, которые конструктивно мало отличаются от ДРЛ, но содержат в ампуле кроме ртути галогенные излучающие добавки (галоидные соли металлов, например, йодистый натрий). Такие лампы ДРИ имеют большую номинальную мощность от 250 до 3500 Вт и обладают значительной долей инфракрасного излучения. В развитие этих разработок шведская фирма «Фрико» выпускает мощные инфракрасные обогреватели ЖСР для нагрева наружных площадок, содержащие линейные металлогалогенные газоразрядные лампы единичной мощностью 1500 Вт и длиной 35 см (рис. 175,в). Отметим, что в последние годы появились лампы ДРВ, не требующие для своего подключения дроссельно-конденсаторной группы.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)