Как выбрать ТЭН для нагревательного устройства: правила, параметры, конструкции
Пошаговая схема выбора ТЭН: от конструктивных размеров и материала оболочки до расчёта температуры поверхности. Обзор типовых нагревательных устройств с ТЭН — от электропечей до промышленных калориферов.
Работоспособность ТЭН в конкретной установке во многом определяется правильностью их выбора. Промышленность выпускает широкую номенклатуру серийных нагревателей общего назначения — во многих случаях можно обойтись без разработки специального ТЭН.
Выбор из каталога оправдан, когда условия работы установки вписываются в стандартные параметры серийной номенклатуры: жидкие нейтральные среды, стандартные напряжения (110, 220, 380 В), умеренные температуры. В каталогах приводятся основные конструктивные параметры, расчётные условия эксплуатации, конфигурации нагревателей и заводы-изготовители.
Изготовление нестандартного ТЭН необходимо, когда серийная продукция не обеспечивает требуемую комбинацию мощности, длины, формы гиба, материала оболочки или диапазона напряжения. В этом случае завод-изготовитель (в том числе завод ТЭН Миасс) разрабатывает нагреватель по исходным данным заказчика.
Схема выбора ТЭН для жидких сред
Для нагрева воды, водных растворов щелочей и кислот, плавления легкоплавких металлов и нагрева теплопроводностью металлических изделий применяется следующий алгоритм из 7 шагов.
1
Определить габаритные размеры и форму ТЭН
Исходя из конструктивных особенностей нагревательного устройства определяют желаемую общую длину и диаметр нагревателей, форму изгиба (U-образная, W-образная, кольцевая, спиральная и т. д.) и длину контактных стержней в заделке.
2
Выбрать материал оболочки
В зависимости от вида нагреваемой среды и рабочей температуры выбирают материал оболочки, обеспечивающий стойкость нагревателя к воздействию среды на протяжении требуемого ресурса.
Вода → нержавейка или медь; щёлочи/кислоты → нержавейка; металлы → углеродистая сталь
3
Найти максимально допустимую удельную поверхностную мощность
По таблице значений pw,max — в зависимости от вида нагреваемой среды и материала оболочки — определяют верхнюю границу допустимой удельной поверхностной мощности. Превышение этого значения ведёт к перегреву оболочки и снижению ресурса ТЭН.
4
Рассчитать максимальную мощность одного ТЭН
Исходя из найденного pw,max и желаемой активной длины La рассчитывают максимальную мощность одного нагревателя выбранного типоразмера.
Pmax = pw · π · D · La
5
Выбрать ТЭН по каталогу
По ранее определённым данным (размеры, форма, материал, мощность) и с учётом рабочего напряжения выбирают нагреватель из каталога. При необходимости допускается корректировка конфигурации.
6
Рассчитать общую мощность установки
Из требований к режиму нагрева рассчитывают суммарную мощность всех ТЭН с учётом тепловых потерь, мощности на нагрев вспомогательного оборудования и скорости выхода на рабочий режим.
7
Определить количество ТЭН
Делением общей мощности установки на мощность одного выбранного ТЭН получают минимальное количество нагревателей, обеспечивающее работоспособность установки.
Схема выбора ТЭН для газов, масел и вязких сред
Нагрев воздуха, различных газов, жиров и минеральных масел требует особого подхода. Коэффициенты теплоотдачи от поверхности ТЭН в эти среды сравнительно малы, поэтому температура оболочки может значительно — иногда на несколько сотен градусов — превышать температуру нагреваемой среды. Это принципиально отличает данные среды от воды и водных растворов.
Схема аналогична жидкостной, но содержит дополнительные шаги 8 и 9:
1–7
Шаги 1–7 — как для жидких сред
Определяют размеры, материал оболочки и pw,max по таблице — с учётом условий циркуляции среды и допустимой температуры её нагрева.
8
Рассчитать температуру оболочки выбранных ТЭН
Исходя из условий размещения ТЭН, удельной поверхностной мощности и условий циркуляции среды рассчитывают температуру поверхности оболочки нагревателей по формуле теплопередачи.
tт = tср + pw / α
9
Проверка и, при необходимости, корректировка
Если расчётная температура оболочки не превышает допустимую — выбор завершён. Если превышает — по каталогу выбирают ТЭН с меньшей мощностью при сохранении конструктивных параметров, после чего повторяют шаги 7, 8 и 9.
Итерация: tт расч. ≤ tт доп. → ✓ выбор закончен
§17 Выбор конструктивных параметров: длина, диаметр, стержни
Рис. 1. Основные конструктивные параметры ТЭН: L — развёрнутая длина, La — активная длина, Lк — длина стержней в заделке, D — наружный диаметр оболочки.
Развёрнутая длина L
Основной параметр типажного ряда. Номинальные значения развёрнутой длины регламентируются каталогом 12.30.09-86. При выборе учитывают стандартные конфигурации изгиба, приведённые в каталоге. Нестандартные конфигурации допускаются при изготовлении ТЭН на заводе-заказчике для придания нагревателю специальной формы под конкретную установку.
Длина контактных стержней в заделке Lк
Это расстояние от торца оболочки до контактного вывода. Выбор ТЭН с удлинёнными стержнями при сохранении габаритных размеров и мощности повышает напряжённость активной зоны — что негативно влияет на долговечность. Тем не менее конструкция многих установок вынуждает применять именно такое исполнение.
Длина стержней в заделке должна быть достаточной для трёх целей: вся активная зона должна находиться в нагреваемой среде (для нагрева воды — с запасом на колебания уровня жидкости); узел герметизации должен быть удалён от горячей зоны установки, чтобы температура герметика не превышала 100–200 °C; контактные выводы должны находиться в доступном для подключения месте.
Диаметр оболочки D
Уменьшение диаметра снижает материалоёмкость нагревателя и позволяет выполнять гибку по меньшему радиусу. Вместе с тем это уменьшает площадь теплоотдающей поверхности — и при той же мощности потребуется увеличение количества или длины нагревателей.
Диаметр оболочки
Типичное применение
Особенности
5–10 мм
Бытовые приборы, компактные установки
Малая материалоёмкость, сложнее производство, меньше площадь теплоотдачи
12–16 мм
Промышленные водонагреватели, станки
Оптимальный баланс теплоотдачи и технологичности
18–35 мм
Промышленные ванны, тяжёлые установки
Большая поверхность, меньше ТЭН для той же мощности
Размещение ТЭН в установке
В устройствах для нагрева газообразных или легкоподвижных жидких сред при естественной конвекции нагреватели целесообразно располагать так, чтобы активные части ТЭН находились преимущественно в нижней зоне рабочего пространства — конвективные потоки поднимают нагретую среду вверх.
В устройствах для нагрева движущихся газообразных и жидких сред, а также для нагрева вязких сред нагреватели целесообразно располагать по всему объёму рабочего пространства с обеспечением поперечного обтекания потоком — это многократно увеличивает коэффициент теплоотдачи.
§18 Удельная поверхностная мощность и температура оболочки
Удельная поверхностная мощность pw — это отношение мощности нагревателя к площади наружной поверхности его активной зоны. Именно этот параметр является главным ограничителем нагрузки на ТЭН.
Удельная поверхностная мощность
pw = P / (π · La · D) ≈ 0,32 · PL / D
P — мощность ТЭН (Вт); La — активная длина (м); D — наружный диаметр оболочки (м); PL = P/La — удельная линейная мощность (Вт/м).
При повышении pw возрастает температура поверхности оболочки и перепад температур между нагревательным элементом и оболочкой. Это ухудшает электроизоляционные характеристики ТЭН. Поэтому стремление применять нагреватели с большой pw для уменьшения габаритов установки ограничивается условием долговечности.
Температура поверхности оболочки (формула 69)
tт = tср + pw / α
tср — температура нагреваемой среды (°C); α — коэффициент теплоотдачи (Вт·м⁻²·°C⁻¹); диапазон α: от 10 (воздух, естественная конвекция) до 4·10⁴ Вт·м⁻²·°C⁻¹ (кипение воды).
Диапазон коэффициента теплоотдачи α для разных сред
Среда нагрева
Режим
α, Вт·м⁻²·°C⁻¹
Температура оболочки
Вода
Погружение, естественная конвекция
500–3 000
На 5–15 °C выше температуры воды
Вода
Кипение
5 000–40 000
Практически равна температуре кипения
Масло (MK и аналоги)
Без принудительного движения
50–300
Выше на 30–150 °C и более
Масло
С принудительной циркуляцией
300–2 000
Выше на 10–50 °C
Воздух
Естественная конвекция
5–30
Выше на сотни градусов
Воздух
Принудительный обдув
30–300
Заметно снижается
Расплавленный металл
Погружение
1 000–5 000
Практически равна температуре расплава
⚠ Важно: нагрев воздуха и масел
При нагреве воздуха, жиров и минеральных масел температура оболочки может значительно — иногда на несколько сотен градусов — превышать температуру среды. Пренебрежение каким-либо фактором, влияющим на интенсивность теплоотдачи, может привести к существенным ошибкам. Для этих сред температуру оболочки необходимо определять расчётным путём с использованием номограмм, а не приближёнными оценками.
Рис. 2. Алгоритм проверки температуры оболочки при выборе ТЭН для разных сред нагрева.
Выбор материала оболочки по типу рабочей среды
Материал оболочки определяет совместимость ТЭН с рабочей средой и допустимую температуру нагрева. Сравнительные испытания в расплаве селитры NaNO₃ показали: при соблюдении минимальных требований по эксплуатации средний ресурс ТЭН в одинарной оболочке из стали 12Х18Н10Т и из стали 10 составляет около 10 000 часов. Ненадлежащая эксплуатация снижает его до менее 5000 часов — прямая зависимость между долговечностью и соблюдением правил.
Медь нежелательна из-за ускоренного образования накипи
Слабые растворы щелочей и кислот
Нержавеющая сталь
Подбирается с учётом концентрации и температуры
Масла (минеральные, пищевые жиры)
Нержавеющая сталь, углеродистая сталь
Учитывать max температуру оболочки (расчётно)
Воздух, нейтральные газы
Нержавеющая сталь, углеродистая сталь
До 750 °C на оболочке
Расплавы солей (селитра)
Сталь 12Х18Н10Т, сталь 10 (с термообработкой)
900–930 °C термообработка повышает стойкость
Расплавленные металлы (олово, алюминий)
Нержавеющая сталь, специальные сплавы
Подбирается по конкретному металлу
Нагрев теплопроводностью, заливка в формы
Углеродистая сталь, нержавейка
Форма патронная; ТЭН залит или вставлен в канал
§19 Типовые нагревательные устройства с ТЭН
Нагревательные устройства с ТЭН отличаются большим разнообразием конструкций и назначений: от бытовых электроплит до промышленных ванн расплавленного металла. Рассмотрим основные типы, серийно выпускаемые промышленностью.
🔥
Электропечи типа ПЭТ
Предназначены для термообработки деталей, нагрева воздуха и газов в рабочем пространстве. ТЭН смонтированы на изоляторах в кожухе из перфорированной стали или на металлических скобах. Выдерживают ударную нагрузку до 3g.
Мощность: 500–1000 Вт; напряжение: 110–825 В; масса: 3,5–7 кг
🏭
Селитровая ванна СВЩ 12.80.12/5-Т
Для термической обработки металлических изделий до 550 °C. ТЭН расположены на внутренних боковых стенках ванны. Рабочая среда: 50% NaNO₃ + 50% KNO₃.
290 кВт, 220 В, объём расплава 16 м³, рабочее пространство 8×1,2×2 м
⚙️
Электрованна ОКБ-2162
Для отпуска валков трубоэлектросварочных станов в масле. Максимальная рабочая температура 260 °C. Трёхфазное питание.
96 кВт, 380 В (3 фазы), рабочее пространство 2,5×2,1×2,8 м, масса 7,8 т
💨
Электрокалориферы СФО / СФОА
Для нагрева воздуха в системах вентиляции сельхоз- и промышленных зданий. ТЭН с алюминиевым оребрением + центробежный вентилятор. Три ступени мощности (1; 2/3; 1/3). Автоматическое поддержание температуры.
4,8–245,5 кВт, подача 700–11 500 м³/ч, перепад температур 25–90 °C
☀️
Инфракрасный излучатель ОКБ-1376А
Для обогрева молодняка животных и птиц. Три ТЭН в конусном отражателе с теплоизоляцией. Три ступени мощности, регулировка по высоте. ТЭН можно отключать поодиночке.
Регулируемая высота подвески, 3 ступени интенсивности облучения
🧪
Электрошкафы СНОЛ-3,5 / 5,3 / 5,5/3-ИЗ
Для сушки изделий в лабораторных условиях. Диапазон регулирования температуры 50–350 °C. Точность автоматического регулирования ±2 °C при номинальной температуре.
50–350 °C, точность ±2 °C, автоматическое регулирование
Электронагревательные секции СЭМ
Для нагрева воздуха в системах вентиляции выпускаются электронагревательные секции серии СЭМ — модульные блоки из U-образных ТЭН, устанавливаемые в воздуховоды. Параметры типовых секций приведены в таблице.
Тип секции
Напряжение, В
Мощность, кВт
Установочная длина, мм (не более)
Активная длина, мм (не более)
Масса, кг
СЭМ-1
110
1,50
700
625
3,5
СЭМ-3
220
3,75
700
625
3,5
СЭВ-3
220
3,75
425
375
2,5
Часто задаваемые вопросы о выборе ТЭН
Как выбрать ТЭН по мощности?
Мощность одного ТЭН рассчитывается исходя из максимально допустимой удельной поверхностной мощности pw,max и желаемой активной длины La: Pmax = pw · π · D · La. Общая мощность установки определяется с учётом тепловых потерь, нагрева вспомогательного оборудования и требуемой скорости выхода на режим.
Какую удельную поверхностную мощность выбрать для ТЭН в воде?
Для нагрева воды и водных растворов pw,max определяется по таблице в зависимости от материала оболочки и условий нагрева. Для нержавеющей стали в воде типичные значения — до 6–8 Вт/см². Превышение ведёт к перегреву и ускоренному образованию накипи.
Какой диаметр оболочки ТЭН выбрать?
Для компактных бытовых установок — 5–10 мм; для промышленных водонагревателей и станков — 12–16 мм; для тяжёлых промышленных ванн — 18–35 мм. Меньший диаметр экономичнее по материалу, но требует большего количества или длины нагревателей.
Какой материал оболочки ТЭН выбрать для воды?
Для нагрева воды и водных растворов рекомендуется нержавеющая сталь (AISI 304, 321) или медь. Нержавейка универсальна — работает в жёсткой воде и с хлором. Медь — лучше для мягкой воды. Для кислот и щелочей — только нержавеющая сталь или специальные сплавы.
Почему при нагреве воздуха нужно рассчитывать температуру оболочки ТЭН?
Коэффициент теплоотдачи воздуха при естественной конвекции (α = 5–30 Вт·м⁻²·°C⁻¹) на порядки ниже, чем у воды. По формуле tт = tср + pw/α температура оболочки может превышать температуру воздуха на несколько сотен градусов. Без расчёта велик риск перегрева ТЭН и выхода из строя.
Можно ли заказать подбор ТЭН под конкретную установку в Миассе?
Да. Специалисты завода ТЭН Миасс подбирают нагреватели под условия конкретной установки: тип среды, рабочую температуру, мощность, монтажные ограничения, требуемый ресурс. Производим стандартные и нестандартные ТЭН с отгрузкой по России.
Подберём ТЭН под вашу установку — бесплатно
Назовите среду нагрева, температуру и мощность — специалисты завода ТЭН Миасс порекомендуют оптимальный нагреватель или изготовят нестандартный по вашему заданию.