Электронагреватели сопротивления

Методические указания к выполнению

Домашней контрольной работы №2

Приведите примеры источников электромагнитного излучения, применяемых в тепловом оборудовании. Выполните схему тэна.

Объясните природу инфракрасного излучения. Приведите примеры светлых и темных источников ИК-излучения. Выполните схему газовой горелки.

Электронагреватели сопротивления

Электронагреватель сопротивления представляет собой металлический проводник (спираль или ленту), размещенный в изоляционном материале или металлическом корпусе, заполненном изоляционным материалом.

В зависимости от условий теплообмена между поверхностью тэна и окружающей средой их выпускают в следующих исполнениях:

Для нагрева воздуха, в том числе паровоздушной среды (в тепловых, жарочных, пекарных шкафах, конвектоматах и пароконвектомахах);

Нагрева воды (в пищеварочных котлах, автоклавах, кипятильниках, водонагревателях, мармитах и др.)

Нагрева масла и пищевых жиров (в жаровнях, фритюрницах).

В силу различной теплопроводности нагреваемых сред различия между названными нагревателями определяются удельной поверхностной мощностью тэна. Нагреватели одинаковой мощности, рассчитанные не работу в разных средах, имеют разные размеры: воздушные – самые габаритные, водяные – наиболее компактные.

По способу контакта электропроводящего элемента (спирали) с воздухом выделяют электронагреватели открытого типа (контакт в воздухе), закрытого (с ограниченным доступом воздуха) и герметичные (контакт без доступа воздуха).

Металлические электронагреватели сопротивления открытого типа представляют собой спирали, закрепленные на несущем элементе, выполненным из диэлектрического материала (чаще всего из керамики). Наиболее распространены следующие конструктивные варианты: 1) спираль уложена в специальные канавки в изоляционной основе (керамическая плита или металлический корпус керамических изоляторов) 2) намотана на керамический стержень; 3) размещена внутри диэлектрической трубки.

Открытый электронагревательный элемент,

электронагревателях открытого типа теплопередача от спирали к нагреваемой среде (поверхности) осуществляется в основном излучением через воздух и путем естественной конвекции. При высоких температурах материал спирали интенсивно окисляется кислородом воздуха и спираль быстро выходит из строя.

Существенным недостатками электронагревателей открытого типа, кроме термической коррозии спирали и соответственно малого срока службы (до 2000 ч), являются их повышенная электрическая опасность, малая механическая прочность, возможность возникновения термических ударов при попадании влаги на незащищенную поверхность.

Однако электронагреватели открытого типа просты по устройству, ремонтопригодны, имеют малую стоимость и инерционность, что определяется их использование в электрических конфорках плит, сковородах и аппаратах инфракрасного излучения.

В электронагревателях закрытого типа проволока спирали размещена в изоляционной массе, что защищает её от непосредственного контакта с воздухом. Соответственно окислительные процессы на спирали при высоких температурах заморожены. Теплопередача от спирали к нагреваемой поверхности (обычно корпус) осуществляется теплопроводностью через изоляционный слой, что приводит к улучшению условий теплоотдачи от спирали и, как следствие, к снижению температуры нагревательной проволоки.

К недостаткам электронагревателей закрытого типа относятся сложность конструкции, большая тепловая инерционность, неремонтопригодность, высокая стоимость, низкая устойчивость к температурным перепадам и громоздкость.

Схема закрытого электронагревательного элемента.

Однако электронагреватели закрытого типа имеют большой срок службы (до 10000 ч), обладают достаточной механической прочностью и в них снижена до минимума возможность появления электрического напряжения на корпусе, что определяет их широкое использование в конфорках электрических плит, сковородах и кофеварках.

В герметичных электронагревателях спираль запрессована в изоляционной массе без доступа воздуха. Соответственно окислительные процессы на спирали при высоких температурах сведены до минимума. Опрессовка изоляционной массы намного улучшает теплопередачу от спирали к корпусу по сравнению с закрытыми электронагревателями, что приводит к значительному снижению температуры на проволоке и, как следствие, к возможности значительного увеличения для удельной поверхностной мощности на спирали.

К герметичным электронагревателям относятся тэны – трубчатые электрические нагреватели. Тэны имеют большой срок службы (до 60000 ч), компактны, обладают достаточной механической прочностью, удобны в монтаже и пригодны для работы в разных условиях. Благодаря всем перечисленным достоинствам тэны нашли наиболее широкое распространение в тепловых аппаратах объектов общественного питания.

К недостаткам герметичных электронагревателей следует отнести их высокую стоимость.

Конструктивно тэны представляют собой металлическую (как правило, стальную) трубку различного по форме сечения. Внутри трубки расположена запрессованная в периклаз спираль (иногда две спирали). Концы спирали соединены с выводными контактными стержнями, служащими для присоединения к электросети. Торцы трубки закрыты керамическими втулками (изоляторами) и заделаны термостойким лаком (герметиком) с целью исключения возможности попадания внутрь трубки воздуха и влаги.

Тэны могут иметь различную конфигурацию.

Материал, из которого изготовлена спираль (проводник), должен обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, достаточной механической прочностью, выдерживать высокие температуры и не вступать ы химические реакции с изоляционным материалом. В качестве резистивного элемента в нагревателях используют вольфрам или металлические сплавы, обладающие не только большим удельным электрическим сопротивлением (1…1, 2 Ом*мм²/м), не изменяя своих механических свойств: нихром (сплав никеля с хромом), фехраль (железа, хрома и алюминия) и хромаль (хрома с алюминием).Ниже представлены тэны различной формы.

Изоляционный материал для электронагревателя должен обладать хорошим диэлектрическими свойствами, высокой теплопроводностью, достаточной механической прочностью, выдерживать высокие температуры и не вступать в химические реакции при высоких температурах с нагревательным элементом и корпусом. В качестве изоляционного материала используют слюду, фарфор, миканит, периклаз, кварцевый песок, а также керамическую изоляцию из шамота с огнеупорной глиной. Наиболее широкое применение получил приказ – порошок, изготовленный по определенной технологии из окиси магния. Слюду и фарфор применяют в случаях, когда температура нагрева изоляционного слоя не превышает 500…700^оС, периклаз огнеупорную глину кварцевый песок и шамот – если достигает 1500…1700^оС.

Диэлектрические способности изоляционных материалов оцениваются по пробивному напряжению соответствующего материала толщиной 1 мм. Ориентировочно пробивное напряжение составляет (В/мм): для слюды – не менее 5000, для фарфора – не менее 2000, для периклаза и кварцевого песка – не менее 1000.

Материал корпуса (защитной оболочки) нагревателя должен обладать достаточной механической прочностью, большим коэффициентом теплоотдачи, выдерживать высокие температуры и не вступать в химические реакции с нагреваемой средой и изоляционным материалом.

В качестве материала корпуса используют сталь, медь или латунь с защитными покрытиями, нержавеющую сталь, чугун.

Форма корпуса электронагревателя и способ размещения теплоотвода от спирали. При развитой поверхности корпуса, значительно превышающей поверхность проволоки спирали, улучшается теплопровод от спирали, что приводит к снижению ее температуры. Для улучшения теплопровода стремятся уменьшить термическое сопротивление между корпусом и спирально путем использования электроизоляционных материалов с высокой теплопроводностью, а также за счет минимальной толщины слоя электроизолятора между спиралью и корпусом (допустимая минимальная толщина слоя определяется диэлектрическими свойствами материала изолятора).

Для увеличения поверхности теплообмена трубку тэна иногда оребряют. Такой электронагреватель носит название рэн.

Электронагреватели сопротивления различаются также по потребляемой мощности (0, 2…5 кВт) и по напряжению (110, 220 и 380 В).