6.3. Электронагревательные элементы, их устройство и применение

Электронагревательные элементы (электронагреватели) могут быть отнесены к преобразователям электрической энергии. Они могут непосредственно преобразовывать электрическую энергию в тепловую и в электромагнитную, при этом взаимодействие с объектом нагрева приводит к образованию тепловой энергии. Электронагреватели (рис. 6.1) можно подразделить на:

- преобразователи электрической энергии непосредственно в тепловую;

- преобразователи электрической энергии в электромагнитную с промежуточным нагревом (ИК-генераторы);

- преобразователи электрической энергии в электромагнитные волны (СВЧ-генераторы, индукторы).

Электронагреватели по виду сопротивления могут быть подразделены на жидкостные и металлические. Жидкостные электронагреватели используют в электродных пищеварочных котлах, в которых жидкая среда — электролит. Ток подводится к погруженным в жидкую среду стальным или медным пластинам (электродам), при этом жидкая среда нагревается. Мощность этой группы электронагревателей зависит от удельного сопротивления электролита, площади омываемых им пластин и расстояния между ними.

Преимуществами жидкостных электронагревателей являются: простота устройства, длительный срок службы электродов, отсутствие опасности перегорания электродов при понижении уровня электролита (в этих случаях просто понижается мощность нагревателя), относительная простота регулирования теплового режима работы аппарата путем изменения уровня жидкости.

Недостаток этой группы электронагревателей — изменение сопротивления электролита в зависимости от его концентрации, при этом, естественно, изменяется и мощность нагревателя, что создает большие неудобства при эксплуатации соответствующих аппаратов.

Электронагреватели с металлическим сопротивлением по конструктивному оформлению подразделяются на: открытые, закрытые (с доступом воздуха) и герметически закрытые (без доступа воздуха).

Открытые электронагревательные элементы представляют собой нихромовые спирали, подвешенные на фарфоровых изоляторах, помещенные в бусы или уложенные в канавки керамических плиток. Передача теплоты от них к нагреваемой среде или посуде происходит главным образом излучением, поэтому их называют излучающими или открытого накала.

Закрытые электронагревательные элементы состоят из нагревательных спиралей, помещенных в защитную оболочку, которая предохраняет их от механических повреждений, но не преграждает к ним доступ воздуха. Нагревательные спирали наматываются на основание, выполненное из электроизоляционного жаростойкого материала, или запрессовываются в электроизоляционную массу (шамот с глиной, окись магния, периклаз и др.) и помещаются в прочный корпус соответствующей формы либо в пазы основания аппарата для нагрева рабочих поверхностей.

Примером применения нагревателей закрытого типа могут служить конфорки электроплит (рис. 6.2). Корпус конфорки отливается из чугуна и имеет пазы — канавки и ребра. В пазы запрессовываются нагревательные спирали из нихромовой проволоки с электроизоляционной массой (периклазом).

Для уменьшения потерь теплоты нижняя сторона конфорки закрыта стальным кожухом с воздушной прослойкой и тепловой изоляцией, расположенной на дне кожуха. Благодаря тепловой изоляции температура на наружной поверхности дна кожуха не превышает 120-140 °С. Включение конфорки в электросеть осуществляется через кабель.

Герметически закрытые трубчатые электронагреватели или, как их сокращенно называют, ТЭНы, получили наиболее широкое применение в тепловых аппаратах. По сравнению с другими нагревателями они отличаются компактностью, механической прочностью, удобством монтажа и эксплуатации.

ТЭНы представляют собой трубку (оболочку) с наружным диаметром 13,5 мм, изготовленную из углеродистой стали с защитным гальваническим покрытием или из нержавеющей стали, внутри которой помещена нагревательная спираль, выполненная из нихромовой проволоки марки Х15Н60 диаметром от 0,3 до 1,0 мм. В пространство между оболочкой и витками спирали запрессован периклаз или кварцевый песок, которые служат изоляцией, и, обладая хорошей теплопроводностью, обеспечивают небольшой перепад температур между спиралью и поверхностью трубки.

Спирали присоединяются (опрессовываются) к стальным контактным стержням, свободные концы которых выводятся наружу, и при помощи контактных гаек, шайб и кабеля подключаются к сети. Изоляция стержней обеспечивается фарфоровыми изоляторами, закрепленными на специальном жаростойком лаке (герметике), что предохраняет трубку от попадания в нее воздуха или влаги. Развернутая общая длина ТЭНа состоит из длины активной (греющей) части и пассивной, в которой размещаются контактные стержни.

В зависимости от условий теплообмена между поверхностью ТЭНа и окружающей средой их выпускают для тепловых аппаратов торговых объектов общественного питания в следующих исполнениях:

- воздушные — применяемые в жарочных и тепловых шкафах для подогрева неподвижного воздуха до температуры 350 °С и аппаратах с принудительной циркуляцией воздуха;

- водяные — для подогрева воды и водных растворов до температуры кипения в мармитах с водяной ванной, паровароч-ных и других аппаратах;

- масляные — для нагревания масла и пищевых жиров до температуры 200 °С в жаровнях и фритюрницах. Выпускают также ТЭНы для заливки в металлические отливки (конфорки, утюги, вафельницы).ТЭНы изготавливаются различной конфигурации с развернутой длиной трубки от 430 до 2467 мм и номинальной мощностью: воздушные — от 0,2 до 1,125 кВт; водяные — от 0,3 до 5 кВт; масляные:— от 0,3 до 0,8 кВт.

Трубчатый электронагреватель должен использоваться только в той среде, для которой он предназначен. При монтаже нагреватели не должны соприкасаться один с другим. Монтаж электронагревателей, работающих в жидкой среде, производится таким образом, чтобы активная часть нагревателя полностью находилась в жидкости.

Нагреватели подключают к сети через индивидуальные плавкие вставки, что позволяет легко устранять выход из строя любого ТЭНа, помещенного в аппарат. Для регулирования мощности аппарата электронагревательное устройство составляют из отдельных нагревателей, которые могут включаться в электросеть различными способами: параллельно, последовательно и др.

ТЭНы могут устанавливаться в электротепловых аппаратах блоками, состоящими из нескольких штук, а также заливаться в цветные и черные металлы и чугун, образуя нагревательные панели и конфорки. Температура нагрева поверхности трубки электронагревателя зависит от удельной мощности и нагреваемой среды.

В зарубежной практике ТЭНы изготавливаются с двумя спиралями, запрессованными в трубку, один конец которой наглухо заделан, другой имеет выход для обоих контактных стержней. Сечение трубок бывает: овально-сплюснутое, плоскотреугольное.

Источники инфракрасного излучения, ИК-генераторы можно подразделить на «светлые» и «темные» в зависимости от длины волны максимального излучения (кшх) и, следовательно, от температуры нагрева генератора. «Светлые» — такие генераторы, в спектре которых имеется видимая часть (светового) излучения (к = 0,4-0,8 мкм), а Хгаах = 0,77-2,66 мкм. К ним относятся кварцевые ИК-излучатели с йодным наполнителем КИ и КИО (буква «О» означает, что излучатели имеют отогнутые концы, выводимые за пределы рабочей камеры аппарата и охлаждаемые воздухом), зеркальные сушильные лампы, силитовые электронагреватели (СЭНы).

«Темные» — такие излучатели, в спектре которых отсутствует видимое излучение, а Х,тах = 2,6—4,3 мкм, что приблизительно соответствует температуре 670—1020 К. К этому типу генераторов относятся трубчатые электронагреватели (ТЭНы), конфорки, жароч-ные поверхности плит и сковород, стенки шкафов.

К источникам ИК-излучения относятся (см. рис. 6.3): силитовые генераторы, трубчатые кварцевые генераторы, зеркальные лампы, трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы), открытые металлические моноспирали и панельные излучатели.

Силитовые или карбидкремниевые электронагреватели (СЭНы) изготовляют на базе силита, т.е. смеси карборунда, свободного кремния и глицерина. Характеризуются сильной устойчивостью при высоких температурах работы, а также падением мощности вместе с увеличением температуры. СЭНы имеют ряд достоинств: малый инерционный период (30 с); нагрев до высокой температуры; длительный срок службы, простота изготовления и обслуживания: сравнительно низкая стоимость.

Изготавливают СЭНы в форме цилиндрического стержня постоянного или переменного сечения. СЭНы постоянного сечения изготовляют из крупнозернистого карбида кремния, переменного сечения — из мелкозернистого. Концы нагревателей покрывают окисью кремния с алюминием для понижения электрического сопротивления и обеспечения надежного контакта между стержнем и токопроводом.

Недостатками СЭНов являются окисление материала в среде водяного пара и снижение срока службы вследствие этого на 25-30%. Кроме того, повышение допустимой рабочей температуры силитового излучателя приводит к разложению карбида кремния и увеличению электрического сопротивления нагревателя. Для увеличения срока службы СЭНов их помещают в трубки из кварцевого стекла.

Керамические электронагреватели состоят из спирали и керамической трубки. Спираль может располагаться как внутри, так и снаружи керамической трубки и содержать один или два металла (биспираль, например хромоникелевая). Спектр излучения керамического электронагревателя со спиралью на трубке, естественно, складывается из спектров излучения трубки и спирали.

Трубчатые кварцевые электронагреватели с вольфрамовой спиралью обладают повышенной мощностью, излучение сконцентрировано в трубке малого объема. Трубка вакуумируется и заполняется аргоном до давления 80 кПа с добавкой паров йода в количестве 1-2 мг. Это обеспечивает удаление налета вольфрама с внутренней поверхности трубки.

Трубчатые кварцевые электронагреватели с вольфрамовой спиралью обладают высокой плотностью теплового лучистого потока q = (0,6-1,0)х105 Вт/см2 и практически безынерционны (выход на рабочий режим длится несколько десятых долей секунды). Вольфрамовая нить нагревается до высокой температуры (2400-2800 К).

Генераторы типа КИО отличаются от генераторов типа КИ своими отогнутыми концами, которые выводятся за пределы рабочей камеры аппарата, т.е. зоны действия высокой температуры и охлаждаются воздухом. Это предохраняет молибденовые выводы от окисления, а трубку — от растрескивания. Продолжительность работы кварцевых генераторов с вольфрамовой нитью в зависимости от их типа колеблется от 2000 до 5000 ч.

Трубчатые кварцевые электронагреватели с хромоникелевой спиралью работают в диапазоне температур спирали 1350-1570 К. Спираль выполняется из сплава Х20Н80Т или ОХ27Ю5А и помещается в негерметизированную кварцевую трубку диаметром 18-20 мм. Кварцевые генераторы выпускают длиной от 0,4 до 2,0 м, мощностью 0,5-7,5 кВт. Электронагреватели данного типа применяются в электрогрилях.

СВЧ-генераторы. Основным элементом СВЧ-установки является СВЧ-генератор — прибор, в котором электрическая энергия постоянного или переменного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля сверхвысоких частот. Широкое применение в электротермических установках СВЧ в качестве генераторной лампы нашли магнетроны непрерывного генерирования, которые характеризуются относительно простой конструкцией, достаточно высокой мощностью и КПД. Конструктивно магнетрон (рис. 6.4) представляет собой диод с особой конструкцией анода.

Анод выполнен в виде массивного медного блока кольцевой формы. Никелевый катод с оксидным покрытием, внутри которого находится нагревательная спираль из вольфрама, получает питание через выводы электрическим напряжением. Анодный блок (колебательная система) образуется четным числом полых резонаторов, соединенных пазами с внутренней полостью — пространством взаимодействия, в центре которого укреплен катод. Для вывода энергии используется медная петля, установленная в одном из резонаторов. Один ее конец припаян к стенке, а другой по коаксиальной линии выходит в волновод. Внешний конец линии закрыт колпаком из жаропрочного стекла или керамики, герметизирующим магнетрон.

Для поддержания теплового режима наружная часть анода имеет оребрение или рубашку, через которую пропускается охлаждающая вода. Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Поскольку анод является корпусом магнетрона, его обычно заземляют; катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Магнетроны непрерывного генерирования для электротермических СВЧ-аппаратов имеют выходную мощность от 0,5 до нескольких десятков киловатт, КПД их может достигать 70% и выше.