Лекция на тему: «электронагревательные приборы»

Преимущества и недостатки использования электроэнергии для целей отопления

Сразу нужно отметить, что использование электрических нагревательных приборов для отопления – не самый дешевый вариант, так как стоимость самого оборудования, а также издержки при эксплуатации слишком высоки. Поэтому его чаще всего рассматривают в качестве альтернативного, на случай перебоев с подачей газа или, если газификации вообще нет. В то же время, отопление дома с помощью электроприборов имеет и некоторые очевидные достоинства:

• Практически повсеместная доступность.
• Очень быстрый и простой монтаж.
• Удобное управление.
• Компактное устройство приборов.
• Полное отсутствие каких-либо продуктов сгорания.

Таким образом, при всех своих недостатках, связанных, главным образом, с экономической составляющей вопроса, электроприборы обладают массой полезных качеств, которыми не могут похвастаться отопительные устройства, основанные на сжигании топлива.

Электрические котлы

В отличие от предыдущих приборов, эти устройства используются для создания постоянной системы отопления в доме. Используются совместно с жидкостным теплоносителем, циркулирующим по замкнутому контуру, обвязывающему все помещения в доме.

По виду основного нагревательного элемента электрокотлы делятся на:

ТЭНовые – работают с любыми видами жидкости и имеют самую простую конструкцию. Они позволяют плавно изменять мощность, ступенчато изменять интенсивность нагрева за счет включения разного количества устройств.

Электродные, которые обладают компактными размерами и применяются исключительно для водяных систем. При этом теплоноситель должен строго соответствовать требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Это обстоятельство сильно влияет на стоимость оборудования. Тепловая энергия возникает по принципу электролитической диссоциации, благодаря которой на электродах возникает разность потенциала из-за растворенных солей. Это прекрасно нагревает воду. Такое устройство намного экономичнее предыдущего.

Индукционные котлы являются наиболее инновационными и дорогими устройствами. Они очень надежны и долговечны. Нагревать такие котлы могут любой теплоноситель за счет принципа электромагнитной индукции. Такое устройство потребляет максимальное количество электроэнергии, но зато просто в монтаже, не требует наличия отдельного помещения и обладает максимальным КПД при самых маленьких размерах.

Все электрокотлы должны быть обязательно заземлены очень надежно.

Все разновидности электрокотлов

Водяная система

Чаще всего используются и оттого имеют самый широкий ассортимент отопительные приборы водяных систем отопления. Это объясняется их неплохим КПД и оптимальным уровнем затрат на приобретение, монтаж и обслуживание.

Конструктивно устройства не слишком отличаются друг от друга. Внутри каждого имеются каналы для протекания горячей воды, тепло от которой передается поверхности прибора, а затем, при помощи конвекции, воздуху комнаты. По этой причине они называются конвекционными.

В водяных системах отопления могут пользоваться следующими типами радиаторов:

• чугунными;
• стальными;
• алюминиевыми;
• биметаллическими.

Все эти отопительные приборы имеют свои особенности, благодаря которым выбираются для каждого конкретного случая в зависимости от площади комнаты, нюансов монтажа, качества и вида теплоносителя (которым иногда бывает антифриз).

Чугунные батареи

Чугун был одним из самых популярных материалов в отечественных системах отопления. Его выбор, как правило, был обусловлен сравнительно невысокой стоимостью. Позже такие приборы стали использоваться реже, так как обладают небольшим коэффициентом теплоотдачи (всего 40%), за счет чего мощность одной секции равна примерно 130 Вт. Хотя их до сих пор можно встретить в системах старого образца. В современном интерьере иногда используют дизайнерские модели чугунных радиаторов.

Преимуществами таких приборов является большая площадь поверхности, отдающей тепло помещению, и длительный эксплуатационный период (до 50 лет). Хотя недостатков все же больше – к ним относятся и сравнительно большой объем используемого теплоносителя (до 1,4 литра), и трудность ремонта, и инертность нагрева, за счет которой повышение температуры прибора осуществляется сравнительно медленно, и даже необходимость периодической (минимум раз в 3 года) прочистки. Кроме того, тяжелые секции очень трудно устанавливать.

Радиаторы из алюминия

Использование алюминиевых радиаторов позволяет обеспечить максимальный уровень теплоотдачи – мощность секции может достигать 200 Вт (чего достаточно для отопления 1,5–2 кв. м).

Их стоимость вполне доступна, а небольшой вес позволяет провести установку самостоятельно. Правда, эксплуатация прибора возможна на протяжении всего лишь 20–25 лет.

Биметаллические батареи

К их преимуществам можно отнести наличие в конструкции конвекционных панелей, улучшающих циркуляцию воздуха по поверхности, простоту установки приборов для регулирования интенсивности расхода теплоносителя, а также простоту монтажа. Секция радиатора, имеющая мощность до 180 Вт, способна отапливать около 1,5 кв. м площади.

Несмотря на достоинства, которые имеют такие отопительные приборы, существуют и проблемы их использования. Так, например, для биметаллических радиаторов не рекомендуется разбавление воды антифризами, которые, хотя и не позволяют системе замерзать, отрицательно влияют на внутренние поверхности нагревательных устройств.

Электронагревательные элементы закрытого типа

Закрытые нагревательные элементы имеют спираль, защищённую оболочкой из изоляционного материала. Такой защитной оболочкой могут служить керамические бусы, надетые на спираль (рис. 91). Бусы защищают спираль от механических повреждений, препятствуют замыканию на корпус при её перегорании, но не препятствуют доступу воздуха к спирали, а следовательно, и окислению.

Рис. 91. Закрытый нагревательный элемент: 1 — изоляционные бусы, 2 — спираль

Такие нагревательные элементы можно встретить в электроутюгах, электрочайниках, электроплитках. Эти элементы в случае неисправности не подлежат ремонту (замене).

Нагревательные элементы закрытого типа могут иметь и иное конструктивное исполнение. Например, спираль из проволоки с высоким удельным сопротивлением помещают в канавки, сделанные в чугунном корпусе. Пространство между корпусом и спиралью заполняют порошкообразным наполнителем и закрывают асбестовым листом и железной крышкой. Такие элементы более надежны в работе, но ремонту не подлежат. Иногда спираль размещают в кварцевой трубке, как, например, в электронагревателях для аквариумов.

Технология

§ 44. Бытовые электронагревательные приборы

Большинство бытовых электронагревательных приборов работает на основе теплового действия электрического тока, которое впервые было изучено русским академиком Э.Х. Ленцем и английским физиком Дж. Джоулем.

Электронагрев по сравнению с нагревом от открытого пламени имеет ряд неоспоримых преимуществ. Так, если сравнивать электронагрев с наиболее совершенным нагревом от газовой плиты, то для её разжигания требуются дополнительные источники открытого пламени. Кроме того, газ ядовит и взрывоопасен, при его горении расходуется кислород и выделяются вредные для жизни человека продукты. Открытое пламя чаще становится источником пожара.

По своему назначению электронагревательные приборы делятся на приборы для приготовления пищи, кипячения воды, дополнительного обогрева жилища, для личной гигиены и глажения, а также электронагревательные инструменты (паяльник, электроглянцеватель и др.).

Основной частью всех электронагревательных приборов является нагревательный элемент. Материал для его изготовления подбирается в зависимости от назначения электронагревательного прибора.

Нагревательные элементы в приборах для приготовления пищи, кипячения воды, во многих приборах для обогрева жилища работают при высоких температурах (800-850 °С), поэтому материал для их нагревателей должен иметь высокую температуру плавления (1000 °С и выше).

Лечебно-гигиенические приборы (электрогрелки, электробинты, электроодеяла), а также приборы для поддержания пищи в горячем состоянии (мармиты) работают при температурах, не превышающих нескольких десятков градусов, но предъявляют повышенные требования к качеству изоляционных материалов нагревателя.

Выбор материала для нагревателей определяется также габаритами изделия. Чем меньше размеры нагревательного элемента, тем выше должно быть его удельное сопротивление. В этом случае применяют сплавы нихром и фехраль, удельное сопротивление которых в 8-10 раз превышает удельное сопротивление стали и тантала (табл. 12).

Таблица 12.
Характеристики металлов и сплавов, применяемых в электронагревательных элементах

Это интересно

Первые электронагревательные приборы появились в конце XIX века и получили широкое распространение после создания в 1905 году сплава никеля, хрома и железа — нихрома, обладающего большим удельным сопротивлением и способного длительное время выдерживать высокую температуру, не расплавляясь и не окисляясь. Этим требованиям удовлетворяют также константан, фехраль и железо-хромалюминиевые сплавы, 500, 900 и 1400 °С соответственно.

Для изготовления нагревательных элементов используют проволоку или ленту из сплавов с высоким удельным сопротивлением, которая быстро нагревается при прохождении электрического тока. Для придания электронагревательному элементу компактности проволоку 00,3-0,6 мм свивают в спираль, а ленту наматывают на пластины из твёрдых диэлектриков.

Нагревательный элемент изолируют от корпуса прибора. Для этого используют материалы с высокими диэлектрическими свойствами — твёрдые и порошкообразные. К твёрдым диэлектрикам относят слюду, фарфор и шамот (огнеупорная глина), к порошкообразным — алунд (окись алюминия), кварцевый песок и окись магния.

Электронагревательные элементы бывают открытого и закрытого типа, а также герметизированные.

Трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН)

Герметизированные нагревательные элементы на сегодняшний день наиболее совершенны (см. рис. 92). Нагревательная спираль в них помещается в трубку и изолируется от её стенок кварцевым песком или порошком окиси алюминия. Трубка может быть изготовлена из латуни или нержавеющей стали. Для защиты спирали от воздействия воздуха концы трубки герметизируют электроизоляционными втулками, залитыми стекловидной температуростойкой эмалью.

Рис. 92. Герметизированный нагревательный элемент: а — трубчатый; б — вид трубчатого электронагревательного элемента со стороны цоколя (1 — выводы спирали, 2 — изолятор); в — чугунная конфорка в разрезе (1 — контакты спирали, 2 — спираль, 3 — изоляционный материал, 4 — корпус конфорки)

Нагревательные элементы этого типа долговечны и надёжны в работе. Трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН) нашли широкое применение в различных современных бытовых электронагревательных приборах (см. рис. 93).

Рис. 93. Электрический чайник и электроплитка: 1 — корпус, 2 — ТЭН, 3 — соединительный шнур, 4 — ручка переключателя

В качестве примера рассмотрим устройство электроплитки и утюга.

Основным конструктивным элементом электроплитки является конфорка. Наиболее распространены чугунные и трубчатые конфорки.

Корпус чугунной конфорки достаточно массивен, что придаёт ему стойкость при резких колебаниях температуры и исключает возможность коробления поверхности конфорки (рис. 93). Такие конфорки имеют хороший тепловой контакт с посудой. В чугунных конфорках в пазы на внутренней поверхности укладывают 2-3 проволочных нагревательных элемента. Концы нагревательных элементов соединяют с переключателем, позволяющим включать элементы поочередно, последовательно или параллельно. При этом имеется возможность регулировать мощность конфорки и количество выделяемого ею тепла. Регулирование температуры нагрева возможно и при одном нагревательном элементе, если последовательно с ним включить терморегулятор. Максимальная температура на поверхности конфорки обычно составляет около 500 °С.

Трубчатые конфорки состоят из одного или двух ТЭНов, которым также придают форму спиралей. Для лучшего теплообмена с посудой рабочую поверхность ТЭНа делают плоской. С целью повышения КПД конфорки под ТЭН устанавливают отражатель из нержавеющей стали. Температура на поверхности трубчатой конфорки порядка 650-800 °С. Коэффициент полезного действия у чугунных конфорок 65 %, у трубчатых — 75 %.

Следует отметить, что достаточно высокие коэффициенты полезного действия электроплит с чугунными и трубчатыми конфорками реализуются при приготовлении пищи в высококачественной посуде. Такая посуда должна иметь ровное, плоское дно, по размеру несколько превосходящее диаметр конфорки. Наличие деформаций и изгибов создаёт зазор между дном посуды и поверхностью конфорки, что резко снижает коэффициент полезного действия до 35-50 % и приводит к перерасходу электроэнергии. Этот недостаток можно компенсировать, имея в квартирах с электроплитой другие электронагревательные приборы: для кипячения воды — электрочайник, электросамовар или водонагреватель погружного типа. Для приготовления жареных блюд полезно иметь электросковородку, электрогриль, электрошашлычницу, электротостер и др. Коэффициент полезного действия таких приборов достигает 95-97 %, поэтому их использование даёт значительную экономию электроэнергии по сравнению с кипячением воды на электроплите.

По каким принципам осуществляется классификация электронагревательных приборов

Все современные электрические отопительные устройства классифицируются следующим образом.

По способу монтажа прибора:

• Переносные или мобильные, к которым можно отнести масляные радиаторы и различные конвекторы.
• Установленные на одном месте или стационарные, включающие в себя бойлеры, кондиционеры, электрические котлы и камины, инфракрасные нагреватели.

По виду теплоносителя, который нагревается в приборе:

• Воздушные – обогрев окружающего пространства осуществляется посредствам прогревания воздуха. К ним можно отнести конвекторы, радиаторы, электрокамины и многие другие устройства.
• Жидкостные – теплоносителем в них служит какая-либо жидкость, имеющая хорошую теплоемкость: вода, масло, антифриз. Наиболее известными приборами с таким принципом работы являются электрокотлы и бойлеры.
• Твердотельные или излучательные – тепло в этих устройствах передается от источника на какую-нибудь твердую поверхность, которая затем нагревает воздух в окружающем помещении. К ним относятся лучистые и инфракрасные нагреватели.

По типу нагревательного элемента (ТЭНа):

Стандартные трубчатые элементы с успехом используют во многих видах отопительных приборов, которые работают на электроэнергии. Они могут иметь очень широкий диапазон технических характеристик, как по производительности, так и по мощности. Производят их из стали и титана.

Стандартный трубчатый тип нагревательных элементов

Оребренные трубчатые – похожи на предыдущие, но имеют ребристую поверхность, повышающую теплоотдачу. Они используются только в приборах, где теплоносителем является газовая среда (тепловые завесы и конвекторы). Делают такие элементы из нержавеющей или конструкционной стали.

Так выглядят оребренные ТЭНы

Блочные электронагреватели представляют собой несколько ТЭНов, соединенных в один конструктивный узел. Такие устройства устанавливают в приборы, где существует возможность регулировки мощности. Теплоносителями в них может выступать жидкость или сыпучие твердые вещества.

Блок электронагревателей, собранный в один узел

Оборудованные терморегулятором – являются самым распространенным видом бытовых электронагревателей для отопления, имеющего жидкостный теплоноситель. Их делают из меди, стали, или никеле-хромового сплава.

Оборудованный терморегулятором ТЭН

Все рассмотренные нагревательные элементы являются только главными деталями устройств, об особенностях которых читайте далее.

Инфракрасное отопление

Выбирая отопительные приборы, принцип действия которых основан на излучении тепловых волн в инфракрасном диапазоне, владелец частного дома или помещения другого назначения получает следующие преимущества:

• заметное снижение потребления электроэнергии по сравнению с традиционным электрическим оборудованием (в пределах 30%);
• отсутствие снижения содержания в воздухе кислорода, что избавляет находящихся в помещении людей от головной боли;
• очень высокую скорость нагрева (даже холодная комната прогревается в течение нескольких минут).

Виды

Классификация приборов для инфракрасного отопления производится по способу испускания волн. Бывают пленочные устройства, которые передают на окружающие предметы излучение от резисторных проводников, расположенных на поверхности специальной пленки. Мощность – в пределах 800 Вт на 1 кв. м.

Второй вид — карбоновые. В них излучение идет от спирали внутри герметичной стеклянной колбы. Бытовые приборы данного типа имеют мощность от 0,7 до 4,0 кВт.

Преимуществом первых является возможность использовать их как электрические теплые полы. В то время как карбоновые обогреватели намного мощнее, хотя и требуют при этом соблюдения повышенных мер пожарной безопасности.

Разновидности

Чаще всего классификация отопительных приборов проводится по следующим признакам:

• используемому теплоносителю, которым может быть нагретая вода, газ или даже воздух;
• материалу изготовления;
• эксплуатационным характеристикам: размерам, мощности, способу монтажа и возможностью регулирования скорости нагрева.

Оптимальный вариант лучше подбирать, учитывая особенности системы отопления здания, условия эксплуатации, соблюдая все требования, предъявляемые к отопительным приборам.

Кроме производительности устройств стоит учитывать возможность их установки. Так, например, при отсутствии газоснабжения и невозможности организации водяного отопления единственным вариантом будут электрические приборы.

Электронагреватель

Изготавливают его в виде спирали, пластины из сплава металлов, обладающих большим сопротивлением электрическому току, способным выдерживать длительное время большую температуру, не окисляться при нагревании в воздушной среде. В зависимости от назначения электронагреватели могут быть открытыми, защищенными и закрытыми.

Электронагреватели бытовых нагревательных электроприборов

Электронагреватель	Характеристика	Достоинства	Недостатки	Применение
Открытии (Смотрите рисунок – )	Спираль открыт разметена в канавках электроизоляционного материала	Простота конструкции быстрота нагрева, легкость ремонта	Возможность смыкания витков, загрязнение спирали	Плитки, рефлекторы, камины
Защищенный (Смотрите рисунок – )	Спираль помещена в защитную оболочку из электроизоляционного материала	То же, что и в открытых, но эти более долговечны	Медленный нагрев, возможность механического повреждения	Плитки, утюги
Закрытый (Смотрите рисунок – )	Спираль помещена в стальную трубку, заполненную кварцевым песком. Концы трубок залиты стекловидной эмалью	Долговечны, не боятся ударов. вибраций, могут иметь любую форму, хорошая теплоотдача	Невозможность ремонта в домашних условиях	Чайники, кофейники, самовары, кипятильники

Электронагреватель открытого типа 1 — керамическое основание, 2 — канал, 3 — спираль.

Электронагреватель защищенный

а — в защитной оболочке из керамических бус, б — пластинчатый: 1 — проволока из нихрома и фехраля, 2 — пластинка из миканита, 3 — контактный вывод.

Электронагреватель закрытый

а — трубчатый:

1. металлическая трубка,
2. спираль,
3. кварцевый песок,
4. контактная шпилька,
5. стекловидная эмаль;

б — виды трубчатых электронагревателей; в — устройство ТЕНа:

1. контактный стержень,
2. нагревательный элемент,
3. оболочка,
4. наполнитель,
5. герметическая пробка,
6. контактная гайка.

Выводные контакты

С их помощью электронагреватель соединяется со шнуром. Изготавливают выводные контакты чаще всего из латуни в виде сплошных или разрезанных вдоль стержней. Изоляция выводных контактов от корпуса осуществляется с помощью специальных втулок из фарфора или миканита.

Выводные контакты 1 — контргайка, 2 — гайка, 3 — металлические шайбы, 4 — изоляционная шайба, 5 — стержень.

Все бытовые нагревательные электроприборы имеют шнур со штепсельной вилкой, при помощи которой их включают в электрическую сеть. Шнур может быть съемным или несъемным.

На корпусе электроприбора имеется технический паспорт — металлическая пластинка, на которой указывается напряжение, мощность, ГОСТ, дата выпуска и завод-изготовитель. К каждому бытовому нагревательному электроприбору прилагается инструкция-паспорт, в которой изложены: техническая характеристика, особенности эксплуатации, устройство и принцип работы, правила по технике безопасности и т. д.

Электроприборы выпускают на напряжение 127 В и 220 В. Оно указывается в паспорте или инструкции.

Многие бытовые нагревательные электроприборы (утюги, плитки, жарочные шкафы, рефлекторы) выпускаются с регуляторами температуры. Регулирование температуры осуществляется изменением мощности прибора при помощи термоограничителя или терморегулятора.

Термоограничитель

Термоограничитель — устройство для ограничения температуры нагрева путем автоматического размыкания электрической цепи.

Терморегулятор

Терморегулятор — устройство, автоматически поддерживающее предварительно заданную температуру в определенных пределах.

«Обслуживающий труд», С.И.Столярова, Л.В.Домненкова