Трубчатые нагревательные элементы. Выбираем водонагреватель по типу тэна

Многие современные приборы имеют в качестве главной детали в своей конструкции нагревательный элемент. Он оборудован рядом устройств, которые обеспечивают подвод к нему электрического тока, электроизоляцию элемента и защиту от повреждений механического характера.

Среди всех разновидностей электрических нагревательных элементов самым распространенным является трубчатый. Он активно используется в конструкции приборов низко- и среднетемпературного нагрева. Эти элементы имеют защиту от воздействий внешнего характера, в том числе и от доступа воздуха.

Большинство таких элементов состоят из металлической трубки небольшой толщины. В ней размещена спираль, выполненная из проволоки с большой величиной электрического сопротивления. Выводы спирали соединены с контактным стержнем. Посредством наружных выводов стержня осуществляется подключение нагревательного элемента к сети. Материалом трубки чаще всего выступает углеродистая сталь. Из неё изготавливают тены, которые при работе нагреваются не выше 450С. Если нагревательный элемент работает в более высоком температурном режиме или в условиях агрессивной среды, то в этом случае в качестве материала изготовления используется нержавейка.

В конструкции тена главной составляющей является трубка, в которой заключена спираль из нихрома . Другими составляющими конструкции нагревательного элемента являются:

наполнитель;
выводная шпилька;
уплотнительная втулка;
гайка для крепления;
выводы.

Для изоляции спирали внутрь трубки засыпают наполнитель, который обладает хорошей теплопроводностью , а наряду с этим имеет высокие свойства в плане электроизоляции. В большинстве ТЭНов в качестве наполнителя выступает периклаз, представляющий собой смесь магния в кристаллической форме. Когда трубка заполнена наполнителем, выполняется её опрессовка. Нагревательный элемент может быть изогнут с целью придания ему необходимой формы. Для изоляции контактных стержней ТЭНов используется специальный материал. Торцы герметизируют кремнийорганическим лаком, который имеет высокую степень защиты от влаги.

Достоинства и недостатки ТЭНов

Для получения более полного представления о ТЭНах, каждому потребителю будет полезно ознакомиться с достоинствами и недостатками этих элементов.

Достоинства

Трубчатые нагревательные элементы, которые чаще всего используются в установках для нагрева воды, имеют определенные преимущества:

универсальность;
надежность;
безопасность обслуживания.

При контакте с газообразными и жидкими средами вполне допустимым является использование этих элементов. Они отличаются стойкостью к ударам и вибрациям. К тому же эти элементы взрывобезопасны. При эксплуатации трубчатых элементов нагрева рабочая температура может доходить до 800С. Эта особенность тенов позволяет использовать их в приборах индуктивного и конвекционного нагрева. Также они могут применяться и в установках ИК-нагрева. В процессе изготовления этих элементов выполняется герметизация спиралей. Это обуславливает высокий ресурс тенов для воды, который может доходить до 10 тыс. часов .

Современные ТЭНы различаются своей конструкцией, что дает возможность выполнять их встраивание в различные приборы обогрева. Они могут использоваться в установках обогрева бытового назначения, а также в промышленном нагревательном оборудовании. В настоящий момент на рынке доступны тены патронного типа, у которых диаметр может варьироваться от 6,5 до 20 мм. Их главная особенность состоит в значительной поверхностной мощности. Кроме них потребителям предлагаются и нагревательные элементы, имеющие развитую теплоотдающую поверхность.

Недостатки

Если говорить о недостатках тенов, то необходимо отметить следующие:

высокая металлоемкость;
Значительная стоимость этих элементов по причине использования в их конструкции дорогостоящих материалов - нихрома, нержавейки;
не слишком большой срок службы;
отсутствие возможности для их ремонта в случае перегорания спирали.

Как выбрать ТЭН

Выбирая тены для прибора, во внимание необходимо принимать:

назначение ТЭНа;
его мощность;
напряжение,
условия эксплуатации.

С единицы поверхности трубки можно снять разную мощность. Она зависит от условий, в которых эксплуатируется нагревательный элемент. Значение также имеет материал трубки и наполнителя. При выборе ТЭНа ориентируются главным образом на расчетную мощность, которая требуется для нагрева воды. При расчетах пользуются следующей формулой:

Pрасч = (Кз х Рпол) / кпд ,

где Кз - коэффициент запаса (1,1 - 1,3), кпд - КПД, учитывающий потери мощности.

Эксплуатация ТЭНов

Главная причина отказа ТЭНа заключается в нарушении герметичности выводных концов. Еще одной распространенной причиной потери элементом работоспособности является коррозия на поверхности оболочки. Перегрев тена для воды , в результате которого возникает разрыв спирали, также приводит к отказу элемента. Эти причины возникают главным образом по причине значительных усилий на контактные стержни, возникающих при подключении проводов к ТЭНам.

Ресурс ТЭНов для воды можно увеличить, если следовать нижеприведенным рекомендациям:

не стоит прикладывать к гайкам контактных стержней значительные усилия. В противном случае вводные концы будут разгерметизированы;
должны быть исключены ситуации работы ТЭНов без воды;
в процессе использования тенов в установках необходимо с периодичность 1 раз в 3 месяца удалять с поверхности нагревательного элемента накипь. Нужно избегать отложений толщиной более 2 мм.

Как правильно пользоваться тэном?

Чаще всего трубчатые ТЭНы утрачивают свою работоспособность по следующим причинам:

оболочка нагревателя разгерметизирована;
по причине перенесенного перегрева произошел разрыв трубки тена;
ржавчина, возникшая из-за неправильного хранения;
незнание правил использования нагревательного элемента и техники безопасности.

Чтобы избежать подобных проблем и продлить ресурс нагревательного элемента в процессе его эксплуатации, необходимо следовать советам специалистов:

выполняя подключение проводов к тэнам для воды, необходимо не зажимать сильно гайками контактные стержни. В этом случае концы нагревательного элемента не лопнут;
запрещается включать тэн, не поместив его в воду. Если человек сначала включит трубчатый нагревательный элемент, а потом будет наливать воду, то это может привести к взрыву, последствием которого могут стать травмы;
необходимо регулярно,1 раз в три месяца выполнять очистку нагревательного элемента от накипи.

Полезная информация

Для трубчатых нагревательных элементов, используемых в конструкции стиральных машин, особую опасность представляет жесткая вода . В своем составе она содержит соли кальция и магния, которые во время работы тена оседают на поверхности трубки. В результате образуется корка белого цвета. Если не удалять её с поверхности нагревательного элемента, то это может привести к поломке техники. Для предотвращения нежелательных последствий контакта с ТЭНом жесткой воды рекомендуется использовать один из нижеследующих способов:

Заключение

ТЭН – важная деталь во многих приборах. Имея в своем доме стиральную машину или активно используя водонагреватель, особое внимание следует уделить поддержанию нагревательного элемента в рабочем состоянии. Самая главная процедура – регулярное удаление накипи с поверхности нагревательного элемента. Это залог длительной и беспроблемной эксплуатации трубчатого элемента. А ведь именно этого хочет каждый владелец приборов, оснащенных ТЭНами.

Сердцу электрического водонагревательного устройства присуще название нагревательного элемента. Благодаря прохождению электрического тока по нагревательному элементу с его нагревом, осуществляется нагрев жидкости в водонагревательном приспособлении.

Разделение нагревательных элементов можно осуществить на:

«мокрые», которые непосредственно контактируют с водой;
«сухие», не имеющие соприкосновения с жидкостью.

На сегодняшний день различают два полностью различных по конструкционным характеристикам термоэлектрических нагревателей, представленные:

Трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭНами);
Стеатитовыми нагревательными элементами.

Конструкционные особенности нагревательных элементов

Для того чтобы определить какой ТЭН лучше, необходимо разобраться в их конструкционных отличиях.
Название «мокрого» ТЭНа обусловлено его непосредственным контактом с нагреваемой жидкостью внутри водонагревательного бака. Также такому нагревательному элементу присуще название открытого. Конструкции данного термоэлектрического нагревателя свойственно наличие пустотелой стальной или медной трубки, заполненной высоко теплопроводным веществом в виде магниевого оксида или кварцевого песка. «Внутренность» конструкции представлена спиралью из нихромовой проволоки.

В закрытом ТЭНе нагревательное устройство изолировано специальной керамической колбой повышенной прочности. Для изготовления колбы пользуются магниевым силикатом, стеатитом, а не металлом. Благодаря такому конструкционному отличию передача тепла от ТЭНа жидкости осуществляется посредством контактирующего с водой кожуха.

Говоря о том, какие ТЭНы лучше, стоит иметь в виду, что нагревательным элементам свойственно различие по конфигурационным показателям и мощности. Для «мокрых» нагревательных элементов характерны различия по типу крепления, наличию анодного гнезда, форме и материалу. Таким образом, ТЭН может быть гаечным и фланцевым. В зависимости от производителя бойлеров, фланцы могут изготавливаться в виде литых или штампованных элементов. По наличию на гайке или фланце крепежа для анода, ТЭНы могут быть без анодного крепления или могут обладать крепежом в виде резьбы. Форму термоэлектрического нагревателя определяет тип бойлерного бака. По данной характеристике ТЭНы могут производиться в виде прямых или гнутых в разном направлении элементов. Наиболее распространено производство медных или нержавеющих нагревательных элементов.

«Сухим» ТЭНам свойственно наличие стержня различной длины и диаметра. Оболочка данных нагревательных устройств преимущественно выполнена нержавеющей сталью. Стеатитовым нагревательным элементам не свойственна универсальность – их изготовление является конкретным для каждой модели водонагревателя.

Какому ТЭНу отдать предпочтение

Для того чтобы определить водонагреватель с каким ТЭНом лучше приобрести, необходимо рассмотреть эксплуатационные характеристики термоэлектрических нагревателей.

Обычным водонагревателям свойственна фланцевая установка нагревательных элементов, что способствует их соприкосновению с жидкостью. Такое крепление способствует появлению на термоэлектрическом нагревателе накипи и электролитической коррозии, способствующей уменьшению теплоотдачи от нагревательной поверхности к воде. Это, в свою очередь, ведет к увеличению времени нагрева жидкости и к расходу электроэнергии. Вследствие недостаточного теплового отвода от ТЭНовой поверхности, происходит превышение его нормального рабочего термического показателя.Несмотря на применение дополнительных конструктивных решений, препятствующим отложению накипи, традиционным нагревателям свойственно быстрое выхождение из строя. Кроме того, их сервисное обслуживание усложнено.

В «сухих» ТЭНах фланец с колбой представлены единым целым. Нагревателю характерно изолирование трубкой, через поверхность которого происходит передача тепла воде. Покрытие самого фланца и внутренней поверхности бака выполнены эмалью, обладающей отталкивающими свойствами, благодаря которым происходит антикоррозийная защита, и предотвращение отложения накипи. Такая простая воздушная конструкция обладает доступной стоимость, исходя из которой возможно некоторое разнообразие «сухих» элементов нагрева:

Масляных, в которых заполнение пространства между защитными трубками и ТЭНом осуществляется маслом. В отличие от воздуха, масло отличается больше теплопроводностью. Благодаря этому свойству энергозатраты на подогрев жидкости сокращаются в несколько раз.
Песочных, отличающихся наличием в межэлементном пространстве песка. В таком нагревательном элементе замена ТЭНа имеет облегченный вариант.

Кроме того, что во время эксплуатации «мокрых» термоэлектрических нагревателей происходит их «обрастание» накипью, в случае возникшего пробоя возможен удар электрически током. В отличие от них, закрытым нагревателям свойственен более длительный эксплуатационный срок и практически полное отсутствие возможного электроудара. Исполнение самих труб-колб осуществляется керамикой и стеклокерамикой, способствующей снижению накипных образований внутри приспособления, а также исключающей перегрев ТЭНовой поверхности. Производство данного типа термоэлектрических нагревателей сокращает количество сервисного обслуживания, однако не исключает его периодическую замену.

Говоря о том, какой ТЭН лучше, стоит отметить, что «сухие» нагреватели обладают более компактными размерами, по сравнению со своими открытыми аналогами. Благодаря такой размерной особенности возможно использование в одном водонагревателе сразу двух элементов нагрева, способствующих увеличению срока службы и надежности бойлера.

При стабильном напряжении и должных эксплуатационных условиях срок службы «мокрого» ТЭНа составляет около 5-ти лет, «сухие» нагреватели прослужат около 15-ти лет. Необходимо помнить, что со временем любому нагревательному элементу свойственно вырабатывать свой ресурс. В данной ситуации закрытый ТЭН обладает неоспоримым преимуществом, заключающимся в возможности заменить его без сливания воды из бойлера. Нагревательный элемент в таких устройствах просто выкручивается из фланца.
Стоимость открытых ТЭНов ниже и они практичнее в обслуживании. Если обслуживание бойлера не планируется, то выбор водонагревателя с закрытым ТЭНом станет лучшим вариантом.

Нагревательный элемент преобразует электричество в тепло путем резистивного процесса или Джоулева нагрева. Электрический ток проходя через тэн встречает сопротивление, в результате чего нагревает его. В отличие от термоэлектрического эффекта этот процесс не зависит от направления протекания тока.

Нихром : подавляющая часть состоит из нихрома 79/21 (79% никеля, 21% хрома) например тэны Фастов, производятся в виде проволоки, ленты или полосы. Он является первокласным материалом, поскольку обладает относительно высоким сопротивлением и образует слой из окиси хрома при нагревании в первый раз. Материал под этим слоем не окисляется, и защищен от разрушения и выгорания.
Металлическое сопротивление : металлическое сопротивление нагревательных элементов может быть в форме проволоки или ленты, прямой или спиральной. Они используются в общих нагревательных приборах, таких как тэны, тостеры, фены, печи для промышленного отопления, отопления пола, нагрева крыши(чтобы не формировались сосульки), нагрева тропы(чтобы стаял снег и лед), сушилки и др.

Наиболее распространенные материалы используемые для изготовления тэнов в Фастове на ОДО «Электронагреватель»:

Нихром — проволока и полосы;
Мельхиор (медно-никелевый) — сплавы для отопления при низких температурах.

Керамические тэны

Керамические огнеупорные материалы и меют невысокую плотность , температура плавления составляет 2030 °С . При высоких температурах они образуют двуокись кремния , защищая метал от дальнейшего окисления . Область применения тэнов включает:

стекольную промышленность и изготовление керамики ;
печи термической обработки;
производство полупроводниковых схем .

Композитные нагревательные элементы

Трубчатые нагревательные элементы

Трубчатые элементы обычно состоят из тонкой нихромовой катушки или резистивного к нагреву сплава в виде проволоки, которая находится в металлической трубке (из нержавеющих сплавов, таких как Инколой, или медь) и с порошковой изоляцией(окись магния).

Для поддержания постоянной влажности в гигроскопическом изоляторе, концы оснащены изоляционным материалом, например из керамики или силиконового каучука или их комбинации. Труба протягивается через фильеру для сжатия порошка и максимальной теплопередачи. Они могут быть прямые(как в тостере), или с изогнутой формой чтобы охватывать нагреваемое пространство(например, в электрических печах и кофеварке).

Полимерные нагревательные элементы

Резистивные нагреватели могут быть изготовлены из проводящих ток резиновых ПТК материалов, где сопротивление снижается по мере увеличения температуры. Такой обогреватель будет вырабатывать высокую мощность для обогрева воды когда она холодная и постоянно поддерживать нужную температуру.

В связи с уменьшающимся удельным сопротивлением нагревателя, такой тэн никогда не сможет произвести больше тепла чем необходимо. Нагреваясь до определенной температуры ПТК материалы выступают в качестве электрического изолятора и не пропускают ток, после чего естественно прекращают нагреваться. Температура может быть выбрана в процессе производства, типичные температуры составляют между 0 и 80 °C (от 32 до 176 °Ф).

Таким образом тэн изготовленный из полимерных материалов является саморегулирующимся. Это означает что он самостоятельно поддерживает постоянную температуру без необходимости регулирования электроникой. Самоограничение подразумевает что нагреватель не способен превысить определенную температуру и не требует применения защиты от перегрева.