Электронагреватели

Сегодня поговорим о том, как с помощью электричества мы нагреваем воду, помещения, трубы с топливом и т.д. Какие типы нагревателей там применяются? Чем они питаются? Какие существуют нюансы по эксплуатации?

Оглавление:

1. Принцип действия.
2. Металлические нагреватели.
2.1 Спиральные нагреватели.
2.2 Трубчатые электронагреватели.
2.3 Резистивный зональный кабель.
3. Полимерные нагреватели.
4. Режимы работы.
5. Схемы подключения.
6. Эксплуатация.

Принцип действия

Принцип действия любого электронагревательного прибора прост до безобразия: ток, проходящий через вещество, вызывает нагрев этого самого вещества. Этот принцип уже не раз был озвучен в моих статьях. На этом принципе, к примеру, работают тепловые реле. По сути любой токопроводящий материал может выступать в роли нагревателя, вопрос в данном случае будет сводиться к параметрам самого проводника.

Однако где как не тут проговорить этот вопрос более подробно? Так вот:

Нагрев проводника при прохождении через него электрического тока вызвано тем, что приводимые в движение электромагнитным полем заряженные частицы сталкиваются с частицами самого материала, в результате чего часть потерянной на столкновение энергии передаётся частицам проводника, вызывая, тем самым, нагрев последнего. Со школы данное явление известно нам по закону Джоуля-Ленца.

Из формулы выше мы видим что количество выделяемой проводником теплоты зависит от величины тока проходящего через проводник, от сопротивления самого проводника и от времени, на протяжении которого ток проходит через проводник.

Металлические нагреватели

Как нетрудно догадаться основным материалом применяемым в качестве электронагревателя являются металлы.

Нихром, вольфрам, фехраль, дисилицид молибдена, карбид кремния и другие...

Все эти металлы отличает высокое удельное сопротивление что, при прочих равных, как следует из формулы выше, способствует повышенной производительности тепла за единицу времени.

Если про нихром и вольфрам, я думаю, слышали все, то про остальные материалы - вряд-ли. Если, в том числе, и от вольфрама мы ± уходим, то вот нихром в различных его вариациях (славах), остаётся для нас лидером.

Нихромовый сплав обладает хорошей способностью сопротивляться потоку электронов. Эти уникальные свойства делают его пригодными для применений в нагревательных элементах фенов и тепловых пушек. Он обладает высокой стойкостью к окислению, что также делает его подходящим материалом для нагревательной техники. Источник.

Не смотря на кажущуюся дороговизну самого материала все прочие плюсы затмевают удобство использования и качество готового продукта, о которых сейчас и поговорим.

Спиральные нагреватели

Спиральные нагреватели - самое простое проявление электронагревательного прибора. Как нетрудно понять из названия "Спираль нагреватель" представляет он собой ни что иное как спираль из проволки состоящей из какого-либо озвученного выше материала.

Как можно видеть выше - вообще без хитростей. Следующим этапом представим, что нам нужно хорошо прогреть какую-либо металлическую поверхность, т.е. спиральный нагревательный элемент должен быть в достаточно тесном контакте с прогреваемой металлической поверхностью. Как быть если спирать не имеет никакой изоляции и, в случае контакта с металлом, мы просто получим короткое замыкание и спираль работать не будет? Абсолютно очевидным решением, в данном случае, будет установка термостойкого экрана на эту самую спираль.

Бусы обычно выполняют из керамики. Плюсом данного решения является высокая ремонтопригодность: обычно не составляет проблем заказать дополнительные керамические бусы для замены. Из этого-же плюса следует и наиболее частая поломка изделия влекущая за собой низкую изоляцию - бусы со временем могут крошится и нагревательная спираль начинает контактировать с корпусом судна.

А что если я хочу ещё круче защитить нагревательный элемент? Если я хочу чтобы он был в непосредственном контакте, к примеру, с водой, которую нужно греть? Тут на помощь приходят ТЭН'ы.

Трубчатые электронагреватели

Трубчатые электронагреватели, они же ТЭНы, - простейший нагревательный прибор представляющий собой ни что иное как проволку их нихрома в металлической трубке, между которыми, по понятным, надеюсь, причинам проложен слой диэлектрика, т.е. материала, не проводящего через себя электрический ток.

Если ТЭН не в трубке (твёрдый) - это не ТЭН. Прекратите так их называть. А так - да, это всем нам привычный кипятильник.

Как вы понимаете - ничего хитрого: погрузили в среду которую нужно нагреть, подали питание, ждёте.

Наполнитель-диэлектрик, в основном, представляет собой керамический порошок, который плотно утрамбован в трубку. Благодаря трубке спираль хорошо защищена от внешних факторов благодаря чему спектр применения ТЭН'ов очень широк. Больше, на данном этапе, сказать о них нечего. Эксплуатацию обсудим ниже.

Резистивный зональный кабель

Предположим ситуацию когда нужно нагреть/поддерживать в нагретом состоянии вещество в трубе на определенном промежутке. Далеко ходить не нужно: подогрев тяжёлого топлива перед впрыском в топку котла. В данных ситуациях применять спираль/ТЭН - крайне неудобно, особенно когда речь заходит о трубке, которая имеет сложную форму (большое количество изгибов).

Тут на помощь приходит резистивный зональный кабель. Из названия мы можем понять что речь идёт о каких-то зонах и сопротивлении. Сопротивление - окей, это то - что и будет греть наш кабель; зональный - подразумевает наличие отдельных зон у кабеля.

Представьте себе кабель внутри которого будет большое количество отдельных нагревателей. Два длинных проводника между которыми параллельно установлено большое количество нагревательных элементов. Взяв такой кабель и обернув им трубу - мы получим прекрасный выход из ситуации, описанной выше.

После того как необходимая длинна кабеля была достигнута - его можно просто отрезать и, заизолировав место отреза, смело подавать на него питание.

Отмеченные выше варианты, безусловно, изящны в своей простоте и непосредственности: сделаны из г*вна и палок, а иногда и без палок. Само собой это влечёт за собой определённые трудности в использовании. Нельзя, к примеру, просто включить резистивнный зональный кабель на подогрев топлива и уйти восвояси, никто не отменял перегрев топлива и т.д.

Простые устройства нагрева, для корректной работы, требуют определённые схемы оправления: таймеры/термостаты/диммеры и/или тому подобное. Обо всём этом мы поговорим ниже, а пока обсудим решение, которое позволяет избежать вышеупомянутых трудностей. Есть-ли что-нибудь по-проще? Чтобы можно было отмерить, отрезать, воткнуть в розетку, а дальше всё делалось само? Да, есть.

Полимерные электронагреватели

Не смотря на то, что на судах подобные решения встречаются ой как редко, считаю что не будет лишним поговорить о них. Представим себе всё тот же резистивный зональный кабель, только вместо нагревательной проволки между двумя токоведущими проводниками мы зальём слой полимера, который будет нагреваться при прохождении через него электрического тока.

Пока звучит так же, как и обычный зональный кабель. В чем соль-то?

Соль кроется в свойствах используемого внутри полимера: при нагреве он значительно теряет своё сопротивление. За счёт этого он оказывает меньшее сопротивление току протекающему через него и, как следствие, меньше нагревается.

На начальном этапе, когда условная труба холодная, она активно забирает тепло от греющего кабеля, в результате чего его тепмература остаётся не высокой. Когда температура трубы (как следствие и вещества в ней) поднимается до определённого предела - она перестаёт забирать такое-же количество тепла и сам кабель прогревается до более высокой температуры. Этот рост температуры провоцирует изменение сопротивления полимера в составе кабеля и он начинает нагреваться меньше. Таким образом данный кабель самостоятельно регулирует свою температуру. Отдельным плюсом можно подчеркнуть и тот факт, что благодаря этому свойству температура кабеля может отличаться на разных его участках в зависимости от качества прогрева и теплоёмкости объекта который этот кабель нагревает.

Достоинства, на мой взгляд, очевидны, как и недостатки. Если мы, к примеру, решим изменить температурный режим - мы не сможем этого сделать, кабель будет удерживать строго задаваемую температуру.

Режимы работы

Прежде чем рассматривать схемы электронагревателей, важно понимать в каких режимах они вообще могут работать.

Ручной режим

Всё максимально просто: вы подаёте питание на нагреватель и он греется; вы снимаете питание - он перестаёт нагреваться. Пример: сковорода на камбузе.

Автоматический режим

Нагреватель имеет функциональную возможность самостоятельно включаться и отключаться в зависимости от предустановок по температуре/времени.

Эти режимы работы подразумевают под собой простое включение/отключение подачи питания на нагревательный элемент, однако есть и другие варианты.

Оба эти режима подразумевают под собой частое включение/отключение. Обычно подобные нагревателя не работают непрерывно как, например, домашний тёплый пол. Для непрерывной работы нам нужно внимательно следить за тем, чтобы нагреватель не перегрелся, а это добавляет сложности всему устройству в целом.

Продолжительно работают нагреватели применяемые для постоянного подогрева, например, того же тяжёлого топлива в трубке котла. Там нагреватель, из-за течения вещества и постоянного остывания трубы вынужден постоянно поддерживаться в работе.

Плавное регулирование и поддержание температуры

Поскольку количество выделяемой теплоты зависит от силы тока, сопротивления и времени, мы можем сделать вывод что мы можем осуществлять плавную регулировку параметра "Выделяемая теплота". Единицу времени возьмём как константу, т.е. мы будем плавно регулировать нагрев остальными параметрами.

Допустим мы добавим сопротивления в цепь питания нагревателя. Таким образом мы действительно добавим нагрева, но нагрев этот будет отдаваться дополнительным сопротивлением (резистором), а не нагревателем. По итогу мы уменьшим ток поступающий на нагреватель и, соответсвенно, понизим уровень нагрева. По сути мы лишь переносим часть нагрева в другое место, как понимаете КПД у такого решения не высокий + целесообразность не на высоте. Зачем нам греть условный щит?

Поэтому регулировать мы будем ток, оставляя сопротивление постоянным. Вспоминаем закон Ома, из которого мы знаем что ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Поскольку, как мы говорили выше, сопротивление мы оставляем постоянным, - нам остаётся регулировать лишь напряжение. Вариантов ПЛАВНОГО регулирования величины напряжения достаточно много и слишком много чтобы подробно останавливаться на них тут. Можно уточнить лишь варианты при которых мы либо преобразуем переменное напряжение в постоянное и регулируем уже его, либо регулируем форму волны и частоту нашего переменного напряжения. Это вопросы к преобразователям электроэнергии таким как диммеры.

На судах, что касаемо установок вроде водонагревателей, нагревателей топлива и т.д. - я ни разу не сталкивался с плавной регулировкой температуры за счет изменения параметров питания. Всегда это происходит по простой автоматической схеме которую мы разберём ниже.

Схемы подключения

Как и любая другая нагрузка нагреватели могут быть подключены как к однофазной сети, так и к трёхфазной сети (звезда/треугольник), если мы говорим исключительно о переменном токе.

Подобные схемы мы собирали в рамках "Что там в щите?". Замените тут электродвигатель на нагреватели, а прессостаты - на термостаты.

А заменив термостат на реле времени - мы получим узел разморозки какой-нибудь холодильной установки. Это, конечно, не совсем корректно, ибо устройство разморозки включает себя ещё много чего и один только нагреватель не включается таймером, но это исключительно как пример.

Более сложные схемы включают в себя несколько уровней нагрева (несколько групп нагревателей которые работают в зависимости от поставленой задачи), контроллеры для быстрой и удобной настройки и т.д.

Схему реального щита разберём в рамках соответствующей рубрики.

Эксплуатация

В плане эксплуатации тут действует старый добрый закон "Пока работает - не трогай", но есть исключения.

При вскрытии, к примеру, спирали с бусами достаточно велик шанс повредить сами бусы и сделать только хуже, особенно когда прибор изначально работал исправно. Это же касается и зональных кабелей, но не ТЭН'ов!

В случае с ТЭН'ами, например, в водонагревателях, где ТЭН находится в непосредственном контакте с водой имеется высокий риск поломки ТЭН'а. Поломка эта связана с накипью которая со временем покрывает наружную трубку нагревателя. Эта накипь накапливается и в итоге ухудшает теплообмен между нагревательным элементом и нагреваемой средой. Это, в свою очередь, провоцирует перегрев нагревательного элемента с последующим перегоранием спирали/повреждением внешней трубки из-за высоких (и не допустимых) значений температуры. Вашему вниманию ниже представлены фото ТЭН'ов, на которые был положен оооочень большой болт.

Бороться с этим просто: хотя-бы раз в три месяца выполнять обслуживание установки вместе с механиком по заведыванию. Вскрыли, посмотрели, если что - механики промыли всю установку кислотосодержащей химией очистив и наши ТЭН'ы. Если же вы работаете со сволочами которые отказываются проводить что-то подобное - придётся вам взять это бремя на себя, ибо если вы пропустите момент и лишитесь ТЭН'ов - весь экипаж останется без горячей воды (если у водонагревателя нет парового контура, само собой, как это было у меня). Тут всё просто: обесточили установку, попросили механиков хотя-бы слить водичку, вынули нагреватели и помыли их сами, хоть раствором лимонной кислоты. Это намного проще чем потом почувствовать клюв петуха в гузне. Ну и заботу о запчастях никто не отменял!

Если-же ТЭН'ы установлены в сухом месте и защищены от покрытия известняком - в подобных манипуляциях они не нуждаются, только проверка качества электрических соединений. Не более.

Всем благодарность за внимание и добро пожаловать в комментарии с вопросами по теме и не очень. Если я где-то неправ - смело указывайте на это, вместе со всем разберёмся. Всегда буду рад!