Трубчатый электронагреватель: устройство и принцип работы
Ф.И.О. ______________________________________ · Группа _____ · Дата _________
1. Что такое ТЭН
ТЭН — трубчатый электронагреватель. Внутри металлической трубки натянута проволочная спираль, между ней и стенкой засыпан порошок-изолятор, торцы герметично закрыты.
Спираль греется от тока, отдаёт тепло порошку, порошок передаёт тепло трубке, трубка — нагреваемой среде (вода, воздух, масло, металл).
Нагревательная спираль (нихром Х20Н80-Н или фехраль Х23Ю5Т)
3
Контактные стержни — подвод тока
4
Электротехнический периклаз — порошок MgO, плотность ≈ 3050 кг/м³
5
Герметик и торцевой изолятор — защита от влаги
3. Главный парадокс
Спираль и трубка разделены порошком толщиной всего 1–3 мм. При этом:
тепло от спирали к трубке проходит почти без потерь;
ток от спирали к трубке не проходит — даже при пробивном напряжении 1500 В.
Это работает благодаря свойствам периклаза (MgO): ионная решётка не отдаёт свободных электронов, но хорошо передаёт колебания (фононы).
Материал
Теплопроводность, Вт/(м·К)
Удельное сопротивление, Ом·м
Медь
≈ 400
1,7·10⁻⁸
Периклаз MgO
30–60
> 10¹²
Воздух
0,026
—
4. Слабое место — влага
Если герметичность торцов нарушена, периклаз поглощает воду и превращается в гидроксид:
MgO + H₂O ⇌ Mg(OH)₂
Сопротивление падает в миллионы раз. Включение такого ТЭН — пробой и срабатывание автомата.
Цифра из эксперимента 1989 г.: за 30 часов во влажной камере (95 %) вода проникает в незагерметизированный ТЭН на 40–60 мм.
5. Как выбрать материал оболочки
Среда
Оболочка
tмакс
Вода, водные растворы
Медь, латунь
250 °C
Щёлочи
Углеродистая сталь
450 °C
Воздух, газ
Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т
750 °C
Кислоты
Титан
по среде
Растительные масла
Нержавейка, низкая удельная мощность
180–250 °C
6. Параметры ТЭН, которые надо помнить
Напряжение: от 12 до 660 В (специсполнение — до нескольких кВ).
Длина: от 0,25 до 6,3 м.
Максимальная температура на оболочке (нержавейка): 750 °C.
Минимальное сопротивление изоляции в холодном состоянии: ≥ 10⁶ Ом.
Испытательное напряжение 50 Гц для ТЭН на 220 В: 1500 В в течение 1 мин.
Допустимое отклонение мощности для бытовых ТЭН: от +5 % до −10 %.
КПД при погружении в среду: близок к 100 %.
7. Типы ТЭН по конструкции
Тип
Сечение
Где применяется
Двухконцевой круглый
круглое
универсальный (вода, воздух, масло)
Патронный (одноконцевой)
круглое
пресс-формы, штампы, зазор ≤ 0,02 мм
Плоский
овальное 6×17 мм
нагрев плит, тесные места
Оребрённый
с навивкой ленты
нагрев движущегося воздуха
Нагревательный кабель
гибкий, ⌀ 2–6 мм
обогрев трубопроводов, крыльев самолётов
8. Задания для самостоятельной работы
Задание 1. Заполните пропуски.
Внутри ТЭН для нагрева воды бытового чайника спираль обычно сделана из сплава . Оболочка — из . Между ними — порошок с химической формулой . Торцы залиты , чтобы внутрь не попала .
Задание 2. На производстве промышленную фритюрницу (растительное масло, 180 °C, объём 40 л) комплектуют ТЭН. Какой материал оболочки вы выберете и почему нельзя ставить туда ТЭН с такой же удельной мощностью, как в чайнике?
Задание 3. ТЭН пролежал на складе во влажном помещении 2 месяца. Объясните, что произойдёт, если включить его сразу на номинальную мощность 2 кВт. Что нужно сделать, чтобы избежать выхода из строя?
Задание 4. Соедините стрелками среду и подходящий материал оболочки.
Воздух 750 °C · Соляная кислота · Вода в чайнике · Расплав парафина