Нихром для изготовления нагревателей. Часть 2: Типы конструкций нагревателей

Существует множество способов использования элементов сопротивления. Вот обзор наиболее распространенных.

Провод или лента могут быть открыты или защищены. Открытый нагреватель передает тепло более эффективно, что позволяет ему работать при более высокой температуре и в то же время требует меньше материала. С другой стороны, он не защищен от внешних воздействий, таких как коррозия и короткое замыкание, и может представлять для пользователя опасность поражения электрическим током. Открытые нагреватели используются преимущественно в печах в греющих спиралях, керамических сухих ТЭНах, канальных ТЭНах. Закрытые нагреватели – это, к примеру, миканитовые кольцевые и плоские нагреватели, где спираль изолируется листом слюды, а также трубчатые нагреватели, о которых мы поговорим отдельно.

Способ монтажа проволоки или полосы имеет первостепенное значение. Он может быть подвесным, поддерживаемым или встроенным. Типичное применение подвески было бы в воздухонагревателях, где катушка проволоки продета через серию бусин в форме пончика, поддерживаемых проволочным каркасом. Опорные элементы используются в основном в печах, где вдоль стен предусмотрена непрерывная опора для опирания змеевика. В общем, этот поддерживаемый тип нагревателя больше ориентирован на сплавы на основе железа (Fe-Cr-Al), которые имеют небольшую жаропрочность. Они более вялые в тепловом отклике, потому что поддерживающий материал также должен быть нагрет. Основной причиной использования этих сплавов является их более низкая стоимость.

Существует большой класс нагревателей, известных как трубчатые или нагреватели с оболочкой ТЭНы, в которых провод находится внутри оболочки из нержавеющей стали или жаропрочного сплава. Проволока представляет собой спираль небольшого диаметра, окруженную порошком оксида магния, упакованным внутри трубки. Порошок обеспечивает электрическую изоляцию, а также передачу тепла наружу. Эти нагреватели охватывают широкий спектр применения — от промышленного оборудования до бытовых кипятильников или духовок. К трубчатым нагревателям с оболочкой также относятся и патронные ТЭНы, хотя они имеют некоторые отличия в конструкции и методах производства.

Концепции изготовления нагревателей

Существует небольшое количество общих концепций, понимание которых может развеять все тайны конструкции электрического нагревателя сопротивления. Большинство из них самоочевидны, но часто забываются.

• Поперечное сечение. Удельное сопротивление — это свойство материала, а сопротивление определяется физической формой проводника. И сопротивление можно легко изменить, изменяя поперечное сечение материала.

• Горячие точки. Самая горячая часть нагревательного элемента определяет срок его службы. Горячие точки на нагревательном элементе могут быть вызваны случайным изменением поперечного сечения (надрезы, растяжения, перегибы) или часто экранированием, когда элемент не может свободно рассеивать свое тепло. Самая горячая область выйдет из строя первой, и поэтому такие значения, как средняя температура или даже плотность мощности сами по себе, не могут использоваться в качестве определения срока службы нагревательного элемента.

• Площадь поверхности нагревателя. На температуру при аналогичных внешних условиях напрямую влияет площадь поверхности нагревателя. Он определяется способностью материала рассеивать мощность. Это будет очевидно, если сравнить одинаковую мощность, рассеиваемую лампочкой или электрическим одеялом. Разница заключается в области, на которую распространяется тепло.

• Удельная мощность. Для проволоки и ленты используется понятие удельной мощности, часто обозначаемое как ватт/см2 . В спирали возникает эффект нагрева между соседними витками. Удельная мощность при степени растяжения менее трех (два диаметра провода между соседними витками) определяется не площадью поверхности провода, которая остается постоянной, а площадью оболочки спирали. Этот эффект можно ярко проиллюстрировать, используя почти плотно намотанную спираль провода, которая при сильном нагреве постепенно растягивается. В этом случае плотность мощности на проводе существенно не изменилась, а изменилась площадь поверхности спирали.

Существует три пути отвода тепла от нагревателя: излучение, конвекция и теплопроводность. При более высоких температурах основным способом передачи тепла является излучение. В печах, работающих при температуре выше 900°C (1652°F), в расчетах можно не учитывать теплопередачу двумя другими способами.

В низкотемпературных печах, наиболее эффективен конвективный теплообмен с использованием вентилятора, перемещающего атмосферу непосредственно над нагревательными элементами. В этом случае эффективный означает, что отношение вырабатываемого тепла к весу используемого материала максимально, а температурный градиент между нагревателем и загрузкой печи минимален.

Наиболее сложным для теоретического расчета нагревателем является нагреватель с оболочкой, в котором провод заключен в изоляционный материал, а вся теплопередача от провода осуществляется за счет теплопроводности. Отвод тепла от оболочки может происходить в таких нагревателях не только при прямом контакте с нагреваемым материалом, но и  за счет конвекции и излучения. В таких нагревателях использование эмпирических данных является самым безопасным методом проектирования.

Выход из строя нагревателей, если не принимать во внимание случайное повреждение, как правило, не связан с окончанием срока службы материала только из-за теплового эффекта. В зависимости от конструкции прогары бывают локализованными. Наиболее распространенные проблемы, когда материал подвергается воздействию, возникают в точках опоры. Концевые выводы также часто являются слабым местом. В миканитовых нагревателях и патронных ТЭНах контактного типа также очень важен равномерный плотный контакт с нагреваемой поверхностью, чтобы не допускать возникновения горячих точек.

Полезно контролировать температуру нагревателя с помощью внешнего устройства, такого как термостат. Но это ни в коем случае не надежный метод. Очень важно убедиться, что датчик действительно отражает температуру материала. В печах обычным методом является использование термопары, подключенной к контроллеру, который регулирует подачу электроэнергии на нагревательные элементы. Также нагреватели могут изготавливаться со встроенными термопарами на заказ.

Определение мощности нагревателя

Одним из первых, что необходимо сделать при проектировании нагревателя, — определить, какая мощность потребуется. Для бытовых приборов есть свои нормы и ограничения, однако когда дело доходит до промышленных сфер применения, потребности определяют процессы.

Например, давайте рассмотрим определение мощности нагревателей в промышленной печи.

Рис.1 Мощность, необходимая для нагрева 1 тонны стали за час с комнатной температуры

На рис. 1 показана типичная диаграмма, которая используется для определения требований к мощности печи для термообработки стали. Указанная мощность - это то, что необходимо для нагрева стали, и эмпирическое правило состоит в том, чтобы допустить 50% сверх теоретического для тепловых потерь и коэффициента контроля.

Когда требуемая мощность установлена, необходимо определить, можно ли разместить достаточное количество нагревательных элементов на имеющейся поверхности стенки печи. Кроме того, играет роль способ монтажа нагревательных элементов. Типичный диапазон так называемой нагрузки на стену показан на рисунке 2.

Рис.2. Рекомендуемая мощность на метр квадратный поверхности стенки печи

Учтите, что наибольшая мощность возможна при тяжелых открытых гофрированных полосовых элементах, а наименьшая нагрузка будет у проволоки, опертой на кирпичные выступы в пазах вдоль стенки печи.

Клеммы, провода и соединения для нагревательных элементов

Нельзя упускать из виду тщательный дизайн клемм, проводов и соединений для электрических нагревательных элементов. Правильный выбор типа соединителя и сплава для таких применений позволяет свести к минимуму преждевременные отказы. Никель и никельсодержащие сплавы следует рассматривать там, где есть потребность в сплаве с такими параметрами:

• [ 1] Подходящие электрические свойства.

• [2] Хорошая механическая прочность при повышенных температурах.

• [3] Отличные тепло- и коррозионно-стойкие свойства.

Общие принципы, которые необходимо учитывать:

• [a] Рабочая температура должна быть сведена к минимуму за счет использования больших клемм из металла с высокой теплопроводностью.

• [b] Металлу необходима стойкость к окислению при рабочей температуре.

• [c] Если требуются механические соединения, давление должно быть распределено по максимально возможной площади – под заклепки и гайки следует использовать шайбы, а в отдельных точках следует делать уплотнения. Избегайте использования латунной или луженой фурнитуры; используйте никелированный материал.

• [ d ] Поскольку оксид никеля обладает относительно высокими электроизоляционными свойствами, никелевые или никелированные клеммы могут оказаться непригодными для более высоких температур.

• [e] Нагревательный элемент не должен соприкасаться с клеммным узлом в любом месте, кроме предусмотренного для этого места.

• [f] При формировании нагревательного элемента крайне важно, чтобы провод не был поврежден, например, надрезы. В коммерческой практике используются специальные латунные инструменты.

Выводы и конструкции типов подключения

Следует учитывать следующие требования к проводам или соединениям между нагревательным элементом и источником питания или каким-либо другим компонентом:

• [a] Потери FR в проводах не должны быть достаточно высокими, чтобы температура проводника не превышала безопасную рабочую температуру материала.

• [b] Если устройство требует гибкости, может быть важна пластичность подводящего провода.

Тут мы описали типы подключения по типу соединения вывода питания и нагревательного элемента. Полный перечень типов подключения для разных типов нагревателей можно найти в наших статьях в разделе https://polymernagrev.ru/nagrev-v-proizvodstve/tipy-podklyucheniya-koltsevykh-i-ploskikh-nagrevatele... или в описании соответствующих товаров.