О нагревательных элементах (часть 2)

Разновидности нагревательных элементов

Сегодня бытовая и промышленная области используют сотни разновидностей приборов, которые, соответственно, требуют применения подходящих разновидностей нагревательных элементов. Существует несколько видов спиралей, изготовленных из сплавов с высоким электрическим сопротивлением.

Конструкции с открытой спиралью

Открытые разновидности нагревательных элементов представляют собой спираль, размещённую в специальных изоляционных канавках (иногда её также подвешивают на кронштейнах). Тепло формируется в таких элементах либо за счёт конвекции, либо за счёт излучения.

Эти нагреватели имеют одну из самых простейших схем. Они предназначены для быстрой и простой выработки тепла, их просто отремонтировать да и ценник не так кусается, как у аналогичных приборов. Есть у открытых спиралей и свои недостатки:

• низкий уровень электробезопасности;
• низкая прочность (особенно если речь идёт о механических повреждениях);
• частое возникновение замыканий.

Самыми популярными нагревательными элементами с открытой спиралью являются:

• миканитовые конструкции;
• сухие ТЭНы;
• ТЭНы, предназначенные для печей отжига;
• проволочные нагревательные элементы.

Негерметичные нагревательные элементы

Такие устройства относятся к подвиду нагревателей закрытого типа. Обычно такие конструкции содержат нагревательные элементы либо в виде ленты, либо в виде спирали, которая защищена изоляционными материалами (изоляция помогает предотвратить контакт элемента нагрева с нагреваемым объектом, однако при этом не перекрывает контакт с воздухом). Чаще всего в качестве изоляции используют специальные керамические бусы. Конструкцию негерметичных нагревателей сложной не назовёшь, однако её прочность оставляет желать лучшего.

Элементы, работа которых осуществляется за счёт нихромовой или фехралевой проволоки (из такой проволоки и вьётся нагревательная спираль), размещаются в специальных кожухах, изготовленных из металла. Это уже совершенно другой вид негерметичной конструкции. Кожухи, в свою очередь, наполняются изоляционным порошкообразным веществом. Этот вид нагревателя является более надёжным в сравнении с аналогом, но при этом он дольше прогревается.

К негерметичным также относятся следующие виды нагревательных устройств:

• керамические хомутовые конструкции;
• плоские ТЭНы;
• металлические хомутовые конструкции;
• сопловые элементы;
• керамические гибкие устройства.

Герметичные конструкции

Герметичные нагреватели относятся к категории конструкций закрытого типа. Они вырабатывают тепловую энергию разными способами:

• конвекцией;
• излучением;
• теплопроводностью.

К этой разновидности можно отнести ТЭНы. Конструктивно ТЭН состоит из тонкой оболочки, изготовленной из металла (оболочка относится к трубчатому типу), а также из спирали (чаще всего проволочной), изготовленной из нихрома. Во внутренней части оболочки располагается изоляционный материал. Кроме того, в концы спирали встроены специальные клеммы, которые обеспечивают должный контакт.

К герметичным типам нагревателей относятся следующие виды устройств:

• патронные конструкции;
• хомутовые латунные ТЭНы;
• плоские нагреватели;
• литые алюминиевые хомутовые нагреватели;
• спиральные конструкции.

Герметичные конструкции привлекательны своей электрической безопасностью и длительным сроком эксплуатации. Их можно применять практически в любых средах (даже самых сложных и агрессивных).

Изготовление нагревателей: что, как и почему?

Несмотря на стремительное развитие промышленности, сегодня инженерам всё ещё приходится иметь дело со множеством различных нюансов и факторов при расчёте и разработке спиралей сопротивления. Исследователи насчитали примерно 30 различных факторов, которые способны коренным образом повлиять на характеристики даже самого простейшего, самого стандартного нагревательного элемента. К таким факторам, например, относится напряжение, ток, длина, диаметр нагревательного элемента, а также тип материала, из которого он изготавливается, и рабочая температура, которая особенно важна при эксплуатации готового изделия.

И это во внимание не были приняты специфические факторы, которые должны учитываться при проектировании и изготовлении каждой отдельной разновидности нагревательного элемента. Например, для витых проволочных элементов имеют значение форма витков, их диаметр, шаг, степень растяжения. Если речь идёт, например, о ленте, то во внимание должны приниматься её толщина и ширина.

О высоком и низком уровне сопротивления

Вполне обоснованно будет предполагать, что нагревательный элемент должен изначально иметь высокое Ом сопротивление. Ведь именно от уровня сопротивления проводника будет зависеть генерация тепла.

Однако на деле это утверждение является неправильным. Тепло генерирует ток, который идёт через элемент, а не Ом сопротивление, которое он получает. Так что гораздо важнее в данной цепи подача максимального тока, проходящего через нагревательную конструкцию. Попробуем в этом разобраться детальнее.

Предположим, вы выкрутили Ом сопротивление нагревательного элемента на максимум, вывели показатели в бесконечность. В таком случае закон Ома (U=I x R, где U – напряжение, I – ток, R – сопротивление) нам говорит, что ток, который идёт через ваш элемент, должен быть также бесконечно мал (если I= U/R, то I должен подходить к нулю, а R приближаться к бесконечности). Исходя из этого, у вас будет огромное сопротивление при отсутствующем токе. А если ток у вас отсутствует, то тепла у вас не будет.

Ладно, в таком случае ударимся в другую крайность и сделаем сопротивление бесконечно маленьким. Одна проблема решилась, но возникла другая: хоть I (сила тока) и может иметь огромные показатели, R при этом будет стремиться к нулю, так что ток будет проноситься через элемент с такой скоростью, что ни о какой выработке тепла не будет идти речи, нагрев просто не успеет произойти. Так что никаких крайностей, только баланс.

Какой сплав выбрать?

Нихром является одним из самых популярных сплавов, использующихся для изготовления нагревательных элементов. Сопротивление проволоки, ленты или даже нити из нихрома приблизительно в сто раз выше, чем у тех же элементов из меди.

Медь является хорошим проводником, однако её показатели на четверть ниже, чем у графитового стержня в элементах аналогичного размера, но при этом в миллионную долю меньше действительно качественных изоляторов (например, стекла).

Так что, ориентируясь на приведённые выше показатели, можно сказать, что нихром – это средний проводник, имеющий умеренный уровень сопротивления, и до изолятора он никак не дотягивает.