ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Трубчатые нагреватели

Цель работы

Программа работы

Общие теоретические сведения

Методика работы

Содержание отчёта

Контрольные вопросы

Приложение 1

Цель работы

Изучить устройство и принцип действия трубчатых электронгревателей, а также их основные технические данные, электрические схемы подключения, правила монтажа и эксплуатации ТЭНов.

Программа работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.
2. Изучить методику и выполнить работу.
3. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) являются одними из самых распространенных видов технологического оборудования, применяемого в различных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Их применяют в качестве комплектующих изделий в водонагревателях, калориферах, инфракрасных облучателях, бытовых и других нагревательных приборах.

ТЭН представляет собой металлическую трубку (рис.1.1), внутри которой в наполнителе находится нихромовая спираль, нагревательный элемент может быть выполнен также из листа резитивного материала по форме внутренней поверхности корпуса. Нихромовая спираль (нагревательный элемент) находится в кварцевом кожухе, при этом кварцевый кожух установлен в металлическом кожухе, а пространство между ними заполнено наполнителем с низкой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента. Концы спирали приварены к выводным шпилькам, предназначенным для подключения нагревателя к сети. ТЭН может представлять собой нагревательный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора на металлической подложке, а наполнителем является трансформаторное масло.

Рис. 1.1. Трубчатый электронагреватель (ТЭН): 1 ‑ контактное устройство; 2 ‑ контактный стержень; 3 ‑ нагревательная спираль; 4 ‑ наполнитель (периклаз); 5 ‑ оболочка (трубка); Lст ‑ длина контактного стержня в заделке; Lобщ ‑ общая длина (развёрнутая); La ‑ активная длина; DН ‑ наружный диаметр оболочки

По конфигурации, конструктивному исполнению и назначению ТЭНы отличаются большим многообразием. Отечественная промышленность выпускает более тысячи типоразмеров ТЭНов. Большое разнообразие таких нагревателей объясняется широким диапазоном их параметров: по рабочему напряжению - от 12 до 660 В (специальное исполнение - до нескольких тысяч вольт); по мощности - от десятков ватт до десятков киловатт; по длине - от нескольких сантиметров до 6,3 м.

Трубчатые нагреватели выпускают также в виде блоков, состоящих из двух и более ТЭНов, концы которых закреплены на общем фланце, а контактные выводы электрически соединены в одно нагревательное устройство мощностью до нескольких сотен киловатт.

По назначению и способности работать в различных средах ТЭНы отличаются большим разнообразием: рабочая температура на их оболочке колеблется от десятков градусов (при нагреве воды и других жидких сред) до 750ºС (при нагреве газовых сред), а специальные исполнения ТЭНов допускают их применение и при более высоких температурах.

В зависимости от рабочей температуры и рода нагреваемой среды трубки электронагревателей изготовляют из углеродистой или нержавеющей стали. Для увеличения поверхности теплоотдачи и снижения температуры поверхности ТЭНов, устанавливаемых в отопительных электрокалориферах, на трубку наматывают алюминиевую ленту, поскольку при температуре воздуха свыше 180ºС происходит сухая возгонка пыли и воздух загрязняется продуктами сгорания.

В зависимости от материала оболочки (алюминий, медь, углеродистая и нержавеющая стали) и наличия специальных покрытий оболочки ТЭНы способны работать в самых разнообразных средах, включая агрессивные, в том числе растворы щелочей, кислот и т.д.

Для различных условий работы (рабочей температуры, агрессивности среды и др.) и назначения ресурс ТЭНов меняется от 3 до 12 и более тысяч часов.

Наполнитель должен обладать высокими диэлектрическими свойствами при рабочей температуре спирали и хорошей теплопроводностью для передачи теплоты от спирали к трубке. Такими свойствами характеризуется периклаз (окись магния, графитовый порошок и/или сажа). Для ТЭНов с температурой поверхности до 150ºС допускается применение в качестве наполнителя других изоляционных материалов (корунд, кварцевый песок).

При изготовлении ТЭНов после установки спирали и засыпки наполнителя трубку под большим давлением спрессовывают, в результате чего периклаз превращается в твердый монолит и надежно фиксирует спираль внутри трубки. Торцы трубки уплотняют огнеупорным кремний-органическим герметиком и изолирующими втулками. Поскольку опрессовка трубки и ее герметизация возможны только в заводских условиях, то при эксплуатации доработка ТЭНов (разгибание, изгибание с новым радиусом, приварка и припайка крепежной арматуры) запрещается.

Преимущество ТЭНов перед нагревателями открытого типа заключается в их универсальности, надежности, долговечности ударовибропрочности. Поскольку спираль изолирована от наружной трубки, то ТЭНы можно помещать непосредственно в нагреваемую среду (воду, молоко, обрат и др.). Благодаря герметизации спираль значительно меньше окисляется и срок службы ТЭНов достигает 11000 ч.

Одним из многих преимуществ ТЭНов по сравнению с другими видами нагревателей является их надежная защита от поражения электрическим током обслуживающего персонала при различных механических воздействиях. Сопротивление изоляции между нагревательной спиралью и металлической оболочкой ТЭНа практически не зависит от внешних механических воздействий и агрессивности рабочей среды (растворов щелочей, кислот и др.). Это обстоятельство позволяет применять ТЭНы как в промышленных установках с обязательным заземлением металлической оболочки, так и в электробытовых приборах, не имеющих защитного заземления. Однако во всех без исключения случаях применения ТЭНов необходимо выполнение дополнительных мер по обеспечению их электробезопасности, позволяющих защитить обслуживающий персонал от поражения электрическим током, проходящим по контактным стержням.

В соответствии с ГОСТ 13268-83 ТЭНы изготавливают мощностью от 10 Вт до 25 кВт, длиной от 0,25 до 6,3 м, наружным диаметром от 6,5 до 18,5 мм на номинальное напряжение 12, 24, 36, 48, 55, 60, 110, 127, 220, 380 В.

Основной параметр, характеризующий работоспособность ТЭНов, - это удельная мощность, зависящая от условий работы (среды) и материала трубки (табл. 1.1).

Работа ТЭНа допускается только в той среде, для которой он предназначен.

Структура условного обозначения ТЭНа:

1 - развёрнутая длина ТЭНа, см;

2 - условное обозначение длины контактного стержня;

3 - наружный диаметр ТЭНа, мм;

4 - номинальная мощность ТЭНа, кВт;

5 - условное обозначение нагреваемой среды и материала оболочки;

6 - номинальное напряжение, В;

7 - вид климатического исполнения по ГОСТ 15150-69;

8 - слово "экспорт" - для ТЭНов, предназначенных для экспорта;

9 - обозначение стандарта.

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Сопротивление изоляции ТЭНов в течение всего срока хранения и эксплуатации в холодном и горячем (при рабочей температуре) состоянии должно быть не менее 0,5 МОм. Если оно меньше 0,5 МОм, ТЭНы следует просушить при температуре 120…150 °С в течение 4...6 ч.

Методика работы

Устройство, правила монтажа и эксплуатации ТЭНов изучают по методическим указаниям к лабораторной работе, ГОСТ 13268-83 и разрезу трубчатого нагревателя.

Сопротивление изоляции ТЭНа измеряют мегаомметром, а температуру поверхности трубки - термопарой.

Рис. 1.2. Схема установки для исследования ТЭНов.

При исследовании зависимости Т = f (Р_уд) изменяют удельную мощность, регулируя при помощи автотрансформатора напряжение, подводимое к нагревателю (рис. 1.2). При этом предельная удельная мощность и температура оболочки в воде, подвижном и неподвижном воздухе не должны превышать значений, указанных в табл. 1.1.

Для ТЭНов, представленных на лабораторном стенде, рассчитать удельные мощности, Вт/см2,

где Р - мощность, потребляемая ТЭНом, Вт;

L_а - активная длина ТЭНа, см;

D_н - наружный диаметр оболочки ТЭНа, см.

Во время опытов при каждом значении Р_уд ток поддерживают постоянным до тех пор, пока температура оболочки ТЭНа не достигнет установившегося значения. Для исследования зависимостей Т=f(Р_уд) в воде нагреватель устанавливают в бачке с водой.

Результаты опытов и расчётов занести в табл. 1.3.

Таблица 1.3

По полученным данным построить графики зависимости Т = f (Р_уд), P= f (T) и промаркировать ТЭНы по условным обозначениям.

Содержание отчёта

1. Цель работы.
2. Электрическая схема лабораторной установки для исследования ТЭНов.
3. Таблица опытных и расчетных данных.
4. Графики зависимостей Т = f (Р_уд), P = f (T).
5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о преимуществах ТЭНов, сравнивая их с другими нагревателями.
2. По каким параметрам выбирают ТЭНы?
3. Какими свойствами должен обладать материал наполнителя?
4. От чего зависит удельная мощность ТЭНа?
5. Почему при включении водонагревателя без воды ТЭНы выходят из строя?
6. Структура условного обозначения ТЭНа.
7. Каким должно быть сопротивление изоляции ТЭНов в течение всего срока эксплуатации?
8. Что необходимо выполнить, если сопротивление изоляции ТЭНа не соответствует норме?
9. От чего зависят параметры трубки ТЭНа?
10. Чем измеряют температуру поверхности трубки ТЭНа?

Приложение 1

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006