Електронагрівальні елементи, їх пристрій і застосування

6.3. Електронагрівальні елементи, їх пристрій і застосування

Електронагрівальні елементи (електронагрівачі) можуть бути віднесені до перетворювачів електричної енергії. Вони можуть безпосередньо перетворювати електричну енергію в теплову і в електромагнітну, при цьому взаємодія з об'єктом нагріву призводить до утворення теплової енергії. Електронагрівачі (рис. 6.1) можна поділити на:

- перетворювачі електричної енергії безпосередньо в теплову;

- перетворювачі електричної енергії в електромагнітну з проміжним нагріванням (ІК-генератори);

- перетворювачі електричної енергії в електромагнітні хвилі (СВЧ-генератори, індуктори).

Електронагрівачі по виду опору можуть бути поділені на рідинні і металеві. Рідинні електронагрівачі використовують в електродних пищеварочних котлах, в яких рідке середовище - електроліт. Струм підводиться до занурених у рідку середу сталевим або мідним пластин (електродів), при цьому рідке середовище нагрівається. Потужність цієї групи електронагрівачів залежить від питомої опору електроліту, площі омиваються їм пластин і відстані між ними.

Перевагами рідинних електронагрівачів є: простота пристрою, тривалий термін служби електродів, відсутність небезпеки перегорання електродів при зниженні рівня електроліту (в цих випадках просто знижується потужність нагрівача), відносна простота регулювання теплового режиму роботи апарату шляхом зміни рівня рідини.

Недолік цієї групи електронагрівачів - зміна опору електроліту в залежності від його концентрації, при цьому, природно, змінюється і потужність нагрівача, що створює великі незручності при експлуатації відповідних апаратів.

Електронагрівачі з металевим опором за конструктивним оформленням поділяються на: відкриті, закриті (з доступом повітря) і герметично закриті (без доступу повітря).

Відкриті електронагрівальні елементи являють собою ніхромові спіралі, підвішені на порцелянових ізоляторах, поміщені в намисто або укладені в канавки керамічних плиток. Передача теплоти від них до нагрівається середовищі або посуді відбувається головним чином випромінюванням, тому їх називають випромінюють або відкритого напруження.

Закриті електронагрівальні елементи складаються з нагрівальних спіралей, поміщених в захисну оболонку, яка охороняє їх від механічних пошкоджень, але не перегороджує до них доступ повітря. Нагрівальні спіралі намотуються на підставу, виконане з електроізоляційного жаростійкого матеріалу, або запресовуються в електроізоляційну масу (шамот з глиною, окис магнію, периклаз і ін.) І поміщаються в міцний корпус відповідної форми або в пази підстави апарату для нагріву робочих поверхонь.

Прикладом застосування нагрівачів закритого типу можуть служити конфорки електроплит (рис. 6.2). Корпус конфорки відливається з чавуну і має пази - канавки і ребра. У пази запресовуються нагрівальні спіралі з ніхромового дроту з електроізоляційної масою (периклазом).

Для зменшення втрат теплоти нижня сторона конфорки закрита сталевим кожухом з повітряним прошарком і тепловою ізоляцією, розташованої на дні кожуха. Завдяки теплової ізоляції температура на зовнішній поверхні дна кожуха не перевищує 120-140 ° С. Включення конфорки в електромережу здійснюється через кабель.

Герметично закриті трубчасті електронагрівачі або, як їх скорочено називають, ТЕНи, отримали найбільш широке застосування в теплових апаратах. У порівнянні з іншими нагрівачами вони відрізняються компактністю, механічною міцністю, зручністю монтажу і експлуатації.

Тени представляють собою трубку (оболонку) з зовнішнім діаметром 13,5 мм, виготовлену з вуглецевої сталі із захисним гальванічним покриттям або з нержавіючої сталі, всередині якої вміщено нагрівальна спіраль, виконана з ніхромового дроту марки Х15Н60 діаметром від 0,3 до 1,0 мм . У простір між оболонкою і витками спіралі запресований периклаз або кварцовий пісок, які служать ізоляцією, і, володіючи гарною теплопровідністю, забезпечують невеликий перепад температур між спіраллю і поверхнею трубки.

Спіралі приєднуються (опресовуються) до сталевих контактним стержнів, вільні кінці яких виводяться назовні, і за допомогою контактних гайок, шайб і кабелю підключаються до мережі. Ізоляція стрижнів забезпечується фарфоровими ізоляторами, закріпленими на спеціальному жаростійкого лаку (герметике), що оберігає трубку від потрапляння в неї повітря або вологи. Розгорнута загальна довжина Тена складається з довжини активної (гріє) частини і пасивної, в якій розміщуються контактні стрижні.

Залежно від умов теплообміну між поверхнею Тена і навколишнім середовищем їх випускають для теплових апаратів торгових об'єктів громадського харчування в наступних виконаннях:

- повітряні - застосовуються в жарочних і теплових шафах для підігріву нерухомого повітря до температури 350 ° С і апаратах з примусовою циркуляцією повітря;

- водяні - для підігріву води та водних розчинів до температури кипіння в мармитах з водяною ванною, паровароч-них та інших апаратах;

- масляні - для нагрівання масла і харчових жирів до температури 200 ° С в жаровнях і фритюрниці. Випускають також ТЕНи для заливки в металеві виливки (конфорки, праски, вафельниці) .ТЕНи виготовляються різної конфігурації з розгорнутою довжиною трубки від 430 до 2467 мм і номінальною потужністю: повітряні - від 0,2 до 1,125 кВт; водяні - від 0,3 до 5 кВт; масляні: - від 0,3 до 0,8 кВт.

Трубчастий електронагрівач повинен використовуватися тільки в тому середовищі, для якої він призначений. При монтажі нагрівачі не повинні стикатися один з одним. Монтаж електронагрівачів, що працюють в рідкому середовищі, проводиться таким чином, щоб активна частина нагрівача повністю перебувала в рідини.

Нагрівачі підключають до мережі через індивідуальні плавкі вставки, що дозволяє легко усувати вихід з ладу будь-якого Тена, поміщеного в апарат. Для регулювання потужності апарату електронагрівальний пристрій складають з окремих нагрівачів, які можуть включатися в електромережу різними способами: паралельно, послідовно і ін.

Тени можуть встановлюватися в електротеплових апаратах блоками, що складаються з декількох штук, а також заливатися в кольорові і чорні метали і чавун, утворюючи нагрівальні панелі і конфорки. Температура нагріву поверхні трубки електронагрівача залежить від питомої потужності і нагрівається середовища.

У зарубіжній практиці Тени виготовляються з двома спіралями, запресованими в трубку, один кінець якої наглухо замурований, інший має вихід для обох контактних стрижнів. Перетин трубок буває: овально-сплюснене, плоскотреугольное.

Джерела інфрачервоного випромінювання, ІЧ-генератори можна поділити на «світлі» і «темні» в залежності від довжини хвилі максимального випромінювання (кшх) і, отже, від температури нагріву генератора. «Світлі» - такі генератори, в спектрі яких є видима частина (світлового) випромінювання (к = 0,4-0,8 мкм), а Хгаах = 0,77-2,66 мкм. До них відносяться кварцові ІК-випромінювачі з йодним наповнювачем КІ і КВО (буква «О» означає, що випромінювачі мають відігнуті кінці, що виводяться за межі робочої камери апарату і охолоджуються повітрям), дзеркальні сушильні лампи, сілітовие електронагрівачі (Сени).

«Темні» - такі випромінювачі, в спектрі яких відсутнє видиме випромінювання, а Х, тах = 2,6-4,3 мкм, що приблизно відповідає температурі 670-1020 К. До цього типу генераторів відносяться трубчасті електронагрівачі (ТЕНи), конфорки, жарочні-ні поверхні плит і сковорід, стінки шаф.

До джерел ІЧ-випромінювання відносяться (див. Рис. 6.3): сілітовие генератори, трубчасті кварцові генератори, дзеркальні лампи, трубчасті електричні нагрівачі (ТЕНи), відкриті металеві моноспіралі і панельні випромінювачі.

Сілітовие або карбідкремнієві електронагрівачі (Сени) виготовляють на базі Сіліт, тобто суміші карборунда, вільного кремнію і гліцерину. Характеризуються сильною стійкістю при високих температурах роботи, а також падінням потужності разом зі збільшенням температури. Сени мають ряд переваг: малий інерційний період (30 с); нагрів до високої температури; тривалий термін служби, простота виготовлення і обслуговування: порівняно низька вартість.

Виготовляють Сени в формі циліндричного стрижня постійного або змінного перерізу. Сени постійного перетину виготовляють з крупнозернистого карбіду кремнію, змінного перерізу - з дрібнозернистого. Кінці нагрівачів покривають окисом кремнію з алюмінієм для зниження електричного опору і забезпечення надійного контакту між стрижнем і струмопроводів.

Недоліками СЕНов є окислення матеріалу в середовищі водяної пари і зниження терміну служби внаслідок цього на 25-30%. Крім того, підвищення допустимої робочої температури сілітового випромінювача призводить до розкладання карбіду кремнію і збільшення електричного опору нагрівача. Для збільшення терміну служби СЕНов їх поміщають в трубки з кварцового скла.

Керамічні електронагрівачі складаються з спіралі і керамічної трубки. Спіраль може розташовуватися як всередині, так і зовні керамічної трубки і містити один або два металу (біспіралью, наприклад хромонікелева). Спектр випромінювання керамічного електрообігрівача зі спіраллю на трубці, природно, складається з спектрів випромінювання трубки і спіралі.

Трубчасті кварцові електронагрівачі з вольфрамової спіраллю мають підвищену потужністю, випромінювання сконцентровано в трубці малого обсягу. Трубка вакуумируют і заповнюється аргоном до тиску 80 кПа з добавкою парів йоду в кількості 1-2 мг. Це забезпечує видалення нальоту вольфраму з внутрішньої поверхні трубки.

Трубчасті кварцові електронагревателіс вольфрамової спіраллю мають високу щільністю теплового променистого потоку q = (0,6-1,0) х105 Вт / см2 і практично безінерційна (вихід на робочий режим триває кілька десятих часток секунди). Шляхом утворення нагрівається до високої температури (2400-2800 К).

Трубчасті кварцові електронагрівачі з хромонікелевої спіраллю працюють в діапазоні температур спіралі 1350-1570 К. Спіраль виконується зі сплаву Х20Н80Т або ОХ27Ю5А і поміщається в негерметизовані кварцову трубку діаметром 18-20 мм. Кварцові генератори випускають довжиною від 0,4 до 2,0 м, потужністю 0,5-7,5 кВт. Електронагрівачі даного типу застосовуються в електрогрилях.

СВЧ-генератори. Основним елементом СВЧ-установки є СВЧ-генератор - прилад, в якому електрична енергія постійного або змінного струму перетворюється в енергію електромагнітного поля надвисоких частот. Широке застосування в електротермічних установках СВЧ як генераторної лампи знайшли магнетрони безперервного генерування, які характеризуються відносно простою конструкцією, досить високою потужністю і ККД. Конструктивно магнетрон (рис. 6.4) являє собою діод з особливою конструкцією анода.

Анод виконаний у вигляді масивного мідного блоку кільцевої форми. Нікелевий катод з оксидним покриттям, всередині якого знаходиться нагрівальна спіраль з вольфраму, отримує харчування через висновки електричною напругою. Анодний блок (коливальна система) утворюється парним числом порожнистих резонаторів, з'єднаних пазами з внутрішньою порожниною - простором взаємодії, в центрі якого укріплений катод. Для виведення енергії використовується мідна петля, встановлена ​​в одному з резонаторів. Один її кінець припаяний до стінки, а інший по коаксіальної лінії виходить в хвилевід. Зовнішній кінець лінії закритий ковпаком з жаростійкого скла або кераміки, герметизирующим магнетрон.

Для підтримки теплового режиму зовнішня частина анода має ребра або сорочку, через яку пропускається охолоджуюча вода. Анод магнетрона має високий позитивний потенціал щодо катода. Оскільки анод є корпусом магнетрона, його зазвичай заземлюють; катод перебуває під високим негативним потенціалом. Магнетрони безперервного генерування для електротермічних СВЧ-апаратів мають вихідну потужність від 0,5 до декількох десятків кіловат, ККД їх може досягати 70% і вище.