Elektriska värmeelement, värmeelement, typer, konstruktioner, anslutning och testning

Elektriska värmeelement används i hushålls- och industriutrustning. Användningen av olika värmare är känd för alla. Dessa är elektriska spisar, ugnar och ugnar, elektriska kaffebryggare, vattenkokare och värmeapparater av olika utföranden.

Elektriska vattenvärmare, ofta kallad pannor, innehåller också värmeelement. Grunden för många värmeelement är en tråd med hög elektrisk motstånd. Och oftast är denna tråd tillverkad av nikrom.

Öppna nichrome spiral

Det äldsta värmeelementet är kanske den vanliga nichrome spiralen. En gång i tiden användes hemlagade elektriska spisar, vattenpannor och getvärmare. Att ha till hands en nichromtråd som kunde "ta tag i" i produktionen, skapa en spiral av den erforderliga kraften gav inte några problem.

Slutet på tråden med den erforderliga längden sätts in i snittet på vinschen, själva tråden förs mellan två träblock. Skruven måste klämmas fast så att hela strukturen hålls som visas på figuren. Spännkraften måste vara sådan att tråden passerar genom stängerna med viss ansträngning. Om spännkraften är stor, kommer tråden helt enkelt att gå sönder.

Bild 1. Spirallindning av Nichrome

Genom att rotera kragen dras tråden genom trästängerna, och försiktigt, vänd för att vända, läggs på en metallstav. I arsenal av elektriker fanns en hel uppsättning skiftnycklar med olika diametrar från 1,5 till 10 mm, vilket gjorde det möjligt att vindspiraler för alla tillfällen.

Det var känt vilken diameter tråden är och vilken längd som krävs för att linda spiralen med den erforderliga kraften. Dessa magiska nummer finns fortfarande på Internet. Figur 2 visar en tabell som visar data om spiraler med olika kapaciteter vid en matningsspänning på 220V.

Bild 2. Beräkning av den elektriska spiralen i värmeelementet (klicka på bilden för att förstora)

Allt är enkelt och tydligt här. Med tanke på den erforderliga kraften och diametern på den tillgängliga nichromtråden återstår det bara att skära ett stycke med önskad längd och linda det på en dorn med motsvarande diameter. Samtidigt visar tabellen längden på den resulterande spiralen. Och vad händer om det finns en tråd med en diameter som inte anges i tabellen? I detta fall måste spiralen bara beräknas.

Hur man beräknar en nichrom spiral

Beräkna spiralen är vid behov ganska enkel. Som ett exempel är beräkningen av en spiral tillverkad av nikromtråd med en diameter på 0,45 mm (det finns ingen sådan diameter i tabellen) med en effekt på 600 W för en spänning på 220V. Alla beräkningar utförs enligt Ohms lag.

Om hur man konverterar ampere till watt och, omvänt, watt till ampère:

Hur många ampere finns i ampère, hur konverterar man ampere till watt och kilowatt

Först bör du beräkna den ström som konsumeras av spiralen.

I = P / U = 600/220 = 2,72 A

För att göra detta räcker det att dela upp den inställda effekten genom spänning och få mängden ström som passerar genom spiralen. Effekt i watt, spänning i volt, resulterar i ampère. Allt enligt SI-systemet.

Med hjälp av den nu kända strömmen är det ganska enkelt att beräkna spiralens önskade motstånd: R = U / I = 220 / 2.72 = 81 Ohms

Formeln för beräkning av ledarens motstånd är R = ρ * L / S,

där ρ är ledarens specifika motstånd (för nikrom 1,0 ÷ 1,2 ohm • mm2 / m), L är ledarens längd i meter, S är ledarens tvärsnitt i kvadratmillimeter. För en ledare med en diameter på 0,45 mm är tvärsnittet 0,159 mm2.

Följaktligen är L = S * R / p = 0,159 * 81 / 1,1 = 1170 mm, eller 11,7 m.

I allmänhet är beräkningen inte så komplicerad.Ja, i själva verket är tillverkningen av en spiral inte så svår, vilket utan tvekan är fördelen med vanliga nichrom-spiraler. Men denna fördel blockeras av många brister som är inneboende i öppna spiraler.

Först och främst är detta en ganska hög uppvärmningstemperatur - 700 ... 800˚C. Den uppvärmda spiralen har en svag röd glöd, vid en oavsiktlig beröring kan den orsaka brännskador. Dessutom är elektrisk chock möjlig. En röd het spiral bränner ut syrgas i luften, drar till sig dammpartiklar, som, när de bränns ut, ger en mycket obehaglig doft.

Men den största nackdelen med öppna spiraler bör betraktas som deras höga brandrisk. Därför förbjuder brandväsendet helt enkelt att använda värmare med en öppen spiral. Sådana värmare innefattar först och främst den så kallade geten, vars design visas i figur 3.

Bild 3. Hemlagad getvärmare

Så visade sig den vilda geten: den gjordes medvetet slarvigt, helt enkelt, till och med mycket dåligt. En eld med en sådan värmare behöver inte vänta länge. En mer avancerad konstruktion av en sådan värmare visas i figur 4.

Bild 4. "Get" hem

Det är lätt att se att spiralen är stängd av ett metallhus, det är detta som förhindrar beröring av uppvärmda delar av spännande delar. Brandfaren för en sådan anordning är mycket mindre än den som visas i föregående figur.

Se detta ämne:Varför är "geten" och en hemmagjord panna farlig?

En gång i Sovjetunionen producerades värmare-reflektorer. I mitten av den nickelpläterade reflektorn fanns en keramisk patron, i vilken, som en glödlampa med en E27-bas, en 500W-värmare skruvas in. Brandfaren för en sådan reflektor är också mycket hög. Tja, jag tänkte på något sätt inte i de dagar vad användningen av sådana värmare kunde leda till.

Bild 5. Reflexvärmare

Det är ganska uppenbart att olika värmare med öppen spiral, i motsats till kraven i brandinspektionen, endast kan användas under vaksam övervakning: om du lämnar rummet - stäng av värmaren! Ännu bättre, helt enkelt överge användningen av värmare av denna typ.

Stängda spiralvärmeelement

För att bli av med en öppen spiral uppfanns Tubular Electric Heater - TEN. Uppvärmningens utformning visas i figur 6.

Bild 6. Värmarens design

Den nichrome spiralen 1 är gömd inuti ett tunnväggigt metallrör 2. Spiralen isoleras från röret med fyllmedel 3 med hög värmeledningsförmåga och hög elektrisk motstånd. Periklas (en kristallin blandning av magnesiumoxid MgO, ibland med föroreningar från andra oxider) används oftast som fyllmedel.

Efter fyllning med en isolerande komposition pressas röret och under högt tryck förvandlas periklaset till en monolit. Efter en sådan operation är spiralen fast fixerad, därför är elektrisk kontakt med karossröret helt uteslutet. Konstruktionen är så stark att varje värmare kan böjas om värmarens design kräver det. Vissa värmeelement har en mycket bisar form.

Spiralen är ansluten till metallledningarna 4, som går ut genom isolatorerna 5. Ledningsledningarna är anslutna till de gängade ändarna på ledningarna 4 med muttrar och brickor 7. Värmeelementen är fästa i anordningens hölje med muttrar och brickor 6, som vid behov säkerställer anslutningens täthet.

Med hänsyn till driftsförhållandena är en sådan design ganska tillförlitlig och hållbar. Det är just detta som ledde till den mycket utbredda användningen av värmeelement i apparater för olika ändamål och konstruktioner.

Enligt driftsförhållandena är värmeelementen uppdelade i två stora grupper: luft och vatten. Men det är bara det namnet. Faktum är att luftvärmeelement är utformade för att fungera i olika gasmiljöer.Även vanlig atmosfärisk luft är en blandning av flera gaser: syre, kväve, koldioxid, det finns även föroreningar av argon, neon, krypton, etc.

Luftmiljön är mycket varierad. Det kan vara lugn atmosfärisk luft eller en luftström som rör sig med en hastighet av flera meter per sekund, som i fläktvärmare eller värmepistoler.

Uppvärmningen av värmeskalet kan nå 450 ° C och ännu mer. För tillverkning av det yttre rörformade skalet används därför olika material. Det kan vara vanligt kolstål, rostfritt stål eller värmebeständigt, värmeresistent stål. Det beror på miljön.

För att förbättra värmeöverföringen är vissa värmeelement utrustade med ribbor på rören i form av en lindad metalltejp. Sådana värmare kallas finned. Användningen av sådana element är mest lämplig i en rörlig luftmiljö, till exempel i fläktvärmare och värmepistoler.

Vattenvärmeelement används inte nödvändigtvis i vatten, det är det allmänna namnet på olika flytande media. Det kan vara olja, eldningsolja och till och med olika aggressiva vätskor. Flytande TENY används i elektriska pannor, destillatörer, elektriska avsaltningsanläggningar och bara titaner för kokande dricksvatten.

Vattnets värmeledningsförmåga och värmekapacitet är mycket högre än luft och andra gasformiga medier, vilket ger, jämfört med luften, ett bättre, snabbare värmeavlägsnande från värmaren. Därför har vattenvärmaren med samma elektriska kraft mindre geometriska dimensioner.

Här kan vi ge ett enkelt exempel: när kokande vatten i en vanlig vattenkokare kan värmaren vara röd het och sedan bränna till hål. Samma bild kan ses med vanliga pannor, utformade för att koka vatten i ett glas eller i en hink.

Det givna exemplet visar tydligt att vattenvärmeelement inte i något fall kan användas för arbete i luften. Du kan använda luftvärmeelement för att värma vattnet, men du måste bara vänta länge tills vattnet kokar.

Inte till fördel för vattenuppvärmningselement kommer ett skalskikt att bildas under drift. Skala har som regel en porös struktur och dess värmeledningsförmåga är liten. Därför går värmen som genereras av spiralen dåligt in i vätskan, men spiralen inuti värmaren värms upp till en mycket hög temperatur, vilket förr eller senare kommer att leda till dess utbränning.

För att förhindra att detta händer rekommenderas det att regelbundet rengöra värmeelementen med olika kemikalier. I en TV-reklam rekommenderas till exempel Calgon för att skydda tvättmaskinvärmare. Även om det här verktyget finns det många olika åsikter.

Hur man blir av med skalan

Förutom kemikalier för att skydda mot skala används olika enheter. Först och främst är det magnetiska vattenomvandlare. I ett kraftfullt magnetfält förändrar kristaller av "hårda" salter deras struktur, förvandlas till flingor, blir mindre. Skalan är mindre aktiv från sådana flingor; de flesta flingorna tvättas helt enkelt bort av en vattenström. Detta säkerställer skydd av värmare och rörledningar från skala. Magnetfilteromvandlare produceras av många utländska företag, sådana företag finns i Ryssland. Sådana filter är tillgängliga både av typ och överheadtyp.

Elektroniska mjukgörare

Nyligen blir elektroniska vattenmjukgörare alltmer populära. Utåt ser allt väldigt enkelt ut. En liten låda är installerad på röret, från vilken antenntrådarna kommer ut. Trådar är lindade runt röret, och du behöver inte ens skala bort färgen. Enheten kan installeras på alla tillgängliga platser, som visas i figur 7.

Bild 7. Elektronisk mjukgörare

Det enda du behöver för att ansluta enheten är ett 220V-uttag.Enheten är konstruerad för långvarig påslagning, den behöver inte stängas av med jämna mellanrum, eftersom avstängning kommer att göra att vattnet blir hårt igen, skalan bildas igen.

Anordningens driftprincip reduceras till utsläpp av vibrationer inom området ultraljudsfrekvenser, som kan nå upp till 50 KHz. Svängningsfrekvensen styrs med hjälp av enhetens kontrollpanel. Strålning produceras i partier flera gånger per sekund, vilket uppnås med den inbyggda mikrokontrollern. Svängningarnas kraft är liten, därför utgör sådana anordningar inte något hot mot människors hälsa.

Det är lätt att bestämma om det är enkelt att installera sådana enheter. Det handlar om att bestämma hur hårt vattnet rinner från vattenledningen. Här behöver du inte ens några "abstrakt" apparater: om din hud blir torr efter tvätt, vita fläckar på brickan från vattenstänk, skala visas i vattenkokaren, tvättmaskinen raderar långsammare än i början av drift - hårt vatten rinner definitivt från kranen. Allt detta kan leda till fel i värmeelementen och därför själva vattenkokarna eller tvättmaskinerna.

Hårt vatten löser inte upp olika tvättmedel - från vanliga tvålar till supermoderna tvättmedel. Som ett resultat måste du lägga mer pulver, men det hjälper lite, eftersom kristallerna av hårdhetssalter bibehålls i vävnaderna, tvättkvaliteten lämnar mycket att önska. Alla listade tecken på vattenhårdhet indikerar på ett vältalande sätt att det är nödvändigt att installera vattenmjukgörare.

Anslutning och verifiering av värmeelement

Vid anslutning av värmaren måste en tråd med lämpligt tvärsnitt användas. Det beror på strömmen som strömmar genom värmaren. Oftast är två parametrar kända. Detta är själva värmaren och matningsspänningen. För att bestämma strömmen räcker det att dela strömmen med matningsspänningen.

Ett enkelt exempel. Låt det finnas ett värmeelement med en effekt på 1 kW (1000 W) för en matningsspänning på 220V. För en sådan värmare visar det sig att strömmen är

I = P / U = 1000/220 = 4,545A.

Enligt tabellerna placerade i PUE kan en sådan ström ge en tråd med ett tvärsnitt på 0,5 mm2 (11A), men för att säkerställa mekanisk hållfasthet är det bättre att använda en tråd med ett tvärsnitt på minst 2,5 mm2. Just en sådan tråd levereras oftast med el till uttag.

Men innan du ansluter, bör du se till att även den nya, precis köpt TEN är i gott skick. Först och främst är det nödvändigt att mäta dess motstånd och kontrollera isoleringen. Värmeelementets motstånd är ganska enkelt att beräkna. För att göra detta är det nödvändigt att kvadratera matningsspänningen och dela med ström. Till exempel för en 1000W-värmare ser den här beräkningen så här:

220 * 220/1000 = 48,4ohm.

En sådan motstånd bör visas av en multimeter när den ansluts till värmarens plintar. Om spiralen bryts, kommer naturligtvis multimetern att visa en paus. Om vi ​​tar ett värmeelement med en annan kraft, kommer naturligtvis motståndet att vara annorlunda.

För att kontrollera isoleringens integritet, mät motståndet mellan någon av plintarna och värmarens metallhus. Påfyllningsisolatorns motstånd är sådan att multimetern vid varje mätgräns ska visa ett brott. Om det visar sig att motståndet är noll har spiralen kontakt med värmarens metallhus. Detta kan hända även med en ny, precis köpt av ett värmeelement.

Vanligtvis används för att testa isolering speciell megaohmmeter-enhet, men inte alltid och inte alla har det till hands. Så ett normalt multimetertest är också ganska lämpligt. Åtminstone en sådan kontroll måste göras.

Som redan nämnts kan värmeelementen böjas även efter fyllning med en isolator. Det finns olika typer av värmare: i form av ett rakt rör, U-format, rullat in i en ring, orm eller spiral.Det beror på enheten på värmeanordningen där värmaren ska installeras. Till exempel, i en strömmande vattenvärmare i en tvättmaskin, vrids TEN till en spiral.

Vissa TENY har element av skydd. Det enklaste skyddet är en termisk säkring. Tja, om det brände, måste du byta hela värmaren, men den når inte elden. Det finns ett mer komplext skyddssystem som tillåter användning av en värmare efter dess användning.

Ett av sådana skydd är ett skydd baserat på en bimetallplatta: värme från ett överhettat värmeelement böjer den bimetalliska plattan, som öppnar kontakten och avaktiverar värmeelementet. När temperaturen sjunker till ett acceptabelt värde, sträcker sig bimetallplattan, kontakten stängs och värmaren är klar för drift igen.

TENY med en temperaturregulator

I avsaknad av varmvattenförsörjning är det nödvändigt att använda pannor. Pannorna är ganska enkel. Detta är en metallbehållare som är dold i en "pälsrock" från en värmeisolator, ovanpå är en dekorativ metallhölje. En termometer är inbäddad i fodralet som visar temperaturen på vattnet. Pannans utformning visas i figur 8.

Bild 8. Förvaringspanna

Vissa pannor innehåller en magnesiumanod. Syftet är skydd mot korrosion av värmaren och den inre tanken i pannan. Magnesiumanoden är en förbrukningsvara, den måste periodiskt bytas under pannans underhåll. Men i vissa pannor, tydligen i en billig priskategori, tillhandahålls inte sådant skydd.

Som värmeelement i pannor används en värmare med en temperaturregulator, utformningen av en av dem visas i figur 9.

Bild 9. TEN med en temperaturregulator

En mikrobrytare är placerad i plastlådan som utlöses av en vätsketemperatursensor (ett direkt rör intill värmaren). Formen på själva värmaren kan vara den mest varierande, figuren visar den enklaste. Det beror på pannans kraft och design. Uppvärmningsgraden regleras på grund av läget för den mekaniska kontakten som styrs av ett vitt, rundt handtag som är placerat längst ner i lådan. Det finns också terminaler för tillförsel av elektrisk ström. Värmaren är fäst med gänga.

Våta och torra värmare

En sådan värmare är i direkt kontakt med vatten, så denna värmare kallas "våt". Drifttiden för ett "vått" värmeelement är inom 2 ... 5 år, varefter det måste bytas. I allmänhet är livslängden kort.

För att öka livslängden för värmeelementet och hela pannan i sin helhet utvecklade det franska företaget Atlantic på 90-talet av förra seklet designen av ett "torrt" värmeelement. För att uttrycka det enkelt, gömdes värmaren i en metallskyddande kolv som utesluter direkt kontakt med vatten: värmeelementet värms in i kolven, som överför värme till vattnet.

Naturligtvis är kolvans temperatur mycket lägre än själva värmeelementet, därför är bildningen av skala med samma vattenhårdhet inte så intensiv, mer värme överförs till vattnet. Längden på sådana värmare når 10 ... 15 år. Detta gäller för goda driftsförhållanden, särskilt matningsspänningens stabilitet. Men även under goda förhållanden producerar ”torra” värmeelement också sina egna resurser och de måste bytas.

Här avslöjas ytterligare en fördel med den "torra" värmeelementstekniken: vid byte av värmaren finns det inget behov av att tömma vattnet från pannan, för vilken det bör kopplas bort från rörledningen. Stäng helt enkelt av värmaren och ersätt den med en ny.

Atlantic patenterade naturligtvis sin uppfinning, varefter den började sälja licensen till andra företag. För närvarande producerar andra företag, till exempel Electrolux och Gorenje, även pannor med ett ”torrt” värmeelement. Pannans konstruktion med ett "torrt" värmeelement visas i figur 10.

Bild 10. Panna med en "torr" värmare

Förresten visar figuren en panna med keramisk steatitvärmare. Anordningen för en sådan värmare visas i figur 11.

Bild 11. Keramisk värmare

På den keramiska basen är fixerad en konventionell öppen spiral med hög motståndstråd. Uppvärmningstemperaturen på spiralen når 800 grader och överförs till miljön (luft under ett skyddande skal) genom konvektion och värmestrålning. Naturligtvis kan en sådan värmare som används på pannor bara fungera i ett skyddande skal, i luft, är direktkontakt med vatten helt enkelt uteslutet.

Spiralen kan lindas i flera sektioner, vilket framgår av närvaron av flera terminaler för anslutning. Detta gör att du kan byta värmaren. Den maximala specifika effekten för sådana värmare överskrider inte 9W / cm².

Förutsättningen för normal drift av en sådan värmare är frånvaron av mekaniska belastningar, krökningar och vibrationer. Ytan ska inte förorenas av rost eller oljefläckor. Och naturligtvis, ju mer stabil matningsspänningen, utan kraft och kraftöverflöden, desto mer hållbar är värmaren.

Men elektroteknik står inte stilla. Teknologierna utvecklas och förbättras. Förutom värmeelementen utvecklas en mängd värmeelement för närvarande och framgångsrikt används. Dessa är keramiska värmeelement, kolvärmeelement, infraröda värmeelement, men detta kommer att vara ämnet för en annan artikel.

Fortsättning av artikeln:Moderna värmeelement