Elektrické topné články, topné články, typy, návrhy, připojení a testování

Elektrické topné články se používají v domácích a průmyslových zařízeních. Použití různých ohřívačů je známé všem. Jedná se o elektrická kamna, trouby a pece, elektrické kávovary, elektrické varné konvice a topná zařízení různých provedení.

Elektrické ohřívače vody, běžně nazývané kotle, také obsahují topné prvky. Základem mnoha topných těles je drát s vysokým elektrickým odporem. A nejčastěji je tento drát vyroben z nichromu.

Otevřená nichromová spirála

Nejstarším topným prvkem je možná obvyklá nichromová spirála. Kdysi dávno se používaly domácí elektrická kamna, kotle na vodu a ohřívače koz. Mít po ruce nichromový drát, který by se „mohl chytit“ ve výrobě, by vytvoření spirály potřebné energie nepředstavovalo žádné problémy.

Konec drátu požadované délky se vloží do řezu navijáku, samotný drát se vede mezi dvěma dřevěnými bloky. Svěrák musí být sevřen tak, aby celá konstrukce byla držena, jak je znázorněno na obrázku. Upínací síla musí být taková, aby drát s určitým úsilím procházel tyčemi. Pokud je upínací síla velká, drát se jednoduše zlomí.

Obrázek 1. Nichrome spirálové vinutí

Otáčením límce se drát protáhne dřevěnými tyčemi a opatrně se otočí a otočí se na kovovou tyč. Ve výzbroji elektrikářů byla celá sada klíčů různých průměrů od 1,5 do 10 mm, které umožňovaly navíjet spirály pro všechny příležitosti.

Bylo známo, jaký je průměr drátu a jaká délka je potřebná pro navinutí spirály požadované síly. Tato magická čísla lze stále najít na internetu. Obrázek 2 ukazuje tabulku, která ukazuje data o spirálech různých kapacit při napájecím napětí 220 V.

Obrázek 2. Výpočet elektrické spirály topného článku (pro zvětšení klikněte na obrázek)

Všechno je zde jednoduché a jasné. Po nastavení požadované síly a průměru nichromového drátu po ruce zůstává pouze vyříznout kus požadované délky a navinout jej na trn odpovídajícího průměru. Tabulka zároveň ukazuje délku výsledné spirály. A co když je v tabulce drát s průměrem neuvedeným v tabulce? V tomto případě bude muset být spirála pouze vypočtena.

Jak vypočítat nichromovou spirálu

V případě potřeby je výpočet spirály poměrně jednoduchý. Jako příklad lze uvést výpočet spirály vyrobené z nichromového drátu o průměru 0,45 mm (v tabulce není takový průměr) s výkonem 600 W pro napětí 220 V. Všechny výpočty jsou prováděny podle Ohmova zákona.

O tom, jak převést ampér na watty a naopak, watty na ampér:

Kolik ampér je v ampérech, jak převést ampér na watty a kilowatty

Nejprve byste měli spočítat proud spotřebovaný spirálou.

I = P / U = 600/220 = 2,72 A

K tomu stačí rozdělit nastavený výkon napětím a získat množství proudu procházející spirálou. Příkon ve wattech, napětí ve voltech vedou k ampérům. Vše podle systému SI.

Při použití současného proudu je poměrně snadné vypočítat požadovaný odpor spirály: R = U / I = 220 / 2,72 = 81 Ohmů

Vzorec pro výpočet odporu vodiče je R = ρ * L / S,

kde ρ je měrný odpor vodiče (pro nichrom 1,0 ÷ 1,2 Ohm • mm2 / m), L je délka vodiče v metrech, S je průřez vodiče v milimetrech čtverečních. Pro vodič o průměru 0,45 mm je průřez 0,159 mm2.

Proto L = S * R / p = 0,159 * 81 / 1,1 = 1170 mm, nebo 11,7 m.

Obecně není výpočet tak komplikovaný.Výroba spirály není tak obtížná, což je nepochybně výhoda běžných nichromových spirál. Tato výhoda je však blokována mnoha nedostatky spojenými s otevřenými spirály.

Především se jedná o poměrně vysokou teplotu topení - 700 ... 800˚C. Vyhřívaná spirála má slabou červenou záři, náhodným dotykem může způsobit popálení. Kromě toho je možný elektrický šok. Red-hot spirála spálí kyslík ze vzduchu, přitahuje částice prachu k sobě, které, když spálil, dát velmi nepříjemnou vůni.

Hlavní nevýhodou otevřených spirál by však mělo být jejich vysoké nebezpečí požáru. Hasiči proto jednoduše zakazují použití ohřívačů s otevřenou spirálou. Takové ohřívače zahrnují především tzv. Kozu, jejíž konstrukce je znázorněna na obrázku 3.

Obrázek 3. Domácí kozí topení

Takto se ukázala divoká „koza“: byla úmyslně vyrobena nedbalo, jednoduše, dokonce velmi špatně. Oheň s takovým ohřívačem nebude muset dlouho čekat. Pokročilejší konstrukce takového ohřívače je znázorněna na obrázku 4.

Obrázek 4. Domovská stránka „Koza“

Je snadno vidět, že spirála je uzavřena kovovým pouzdrem, což zabraňuje dotyku zahřátých částí živých částí. Nebezpečí požáru takového zařízení je mnohem menší než nebezpečí znázorněné na předchozím obrázku.

Zobrazit toto téma:Proč jsou „koza“ a domácí kotel nebezpečné?

Kdysi v SSSR byly vyrobeny reflektory. Uprostřed poniklovaného reflektoru byla keramická patrona, do které byla stejně jako žárovka s víčkem E27 zašroubována ohřívač 500 W. Nebezpečí požáru takového reflektoru je také velmi vysoké. No, nějak jsem si v té době nemyslel, k čemu by použití takových topných těles mohlo vést.

Obrázek 5. Reflexní ohřívač

Je zcela zřejmé, že různá topná tělesa s otevřenou spirálou mohou být na rozdíl od požadavků požární inspekce používána pouze pod dohledem: pokud opustíte místnost - vypněte topné těleso! Ještě lepší je, jednoduše opustit používání ohřívačů tohoto typu.

Uzavřené spirálové topné články

Aby se zbavil otevřené spirály, byly vynalezeny trubkové elektrické ohřívače - TEN. Konstrukce ohřívače je znázorněna na obrázku 6.

Obrázek 6. Konstrukce ohřívače

Nichromová spirála 1 je skrytá uvnitř tenkostěnné kovové trubice 2. Spirála je izolována od trubice pomocí plniva 3 s vysokou tepelnou vodivostí a vysokým elektrickým odporem. Jako plnivo se nejčastěji používá periklasa (krystalická směs oxidu hořečnatého MgO, někdy s nečistotami jiných oxidů).

Po naplnění izolační směsi se zkumavka stlačí a periklasa se pod vysokým tlakem změní na monolit. Po takové operaci je spirála pevně upevněna, proto je elektrický kontakt s tělesnou trubicí zcela vyloučen. Konstrukce je tak silná, že jakýkoli ohřívač může být ohnut, pokud to vyžaduje konstrukce ohřívače. Některé topné články mají velmi bizarní tvar.

Spirála je spojena s kovovými přívody 4, které vystupují přes izolátory 5. Vodiče jsou připojeny k závitovým koncům vedení 4 pomocí matic a podložek 7. Topné prvky jsou v pouzdru zařízení upevněny maticemi a podložkami 6, které v případě potřeby zajišťují těsnost spojení.

Při dodržení provozních podmínek je taková konstrukce poměrně spolehlivá a trvanlivá. Právě to vedlo k velmi rozšířenému použití topných prvků v zařízeních pro různé účely a konstrukce.

Podle provozních podmínek jsou topná tělesa rozdělena do dvou velkých skupin: vzduch a voda. Ale to je jen to jméno. Ve skutečnosti jsou prvky pro ohřev vzduchu navrženy pro práci v různých plynových prostředích.Dokonce i obyčejný atmosférický vzduch je směsí několika plynů: kyslíku, dusíku, oxidu uhličitého, existují dokonce i nečistoty argonu, neonu, kryptonu atd.

Vzdušné prostředí je velmi rozmanité. Může to být klidný atmosférický vzduch nebo proud vzduchu pohybující se rychlostí několika metrů za sekundu, jako u ohřívačů ventilátorů nebo tepelných děl.

Zahřívání pláště topného tělesa může dosáhnout 450 ° C a ještě více. Proto se pro výrobu vnější trubkové skořepiny používají různé materiály. Může to být obyčejná uhlíková ocel, nerezová ocel nebo žáruvzdorná ocel žáruvzdorná. Vše záleží na prostředí.

Pro zlepšení přenosu tepla jsou některé topné prvky opatřeny žebry na trubkách ve formě vinuté kovové pásky. Takové ohřívače se nazývají finned. Použití takových prvků je nejvhodnější v prostředí s pohyblivým vzduchem, například v radiátorech a tepelných kanálech.

Vodní ohřívací prvky se také nemusí nutně používat ve vodě, což je obecný název pro různá kapalná média. Může to být olej, topný olej a dokonce i různé agresivní kapaliny. Tekuté TENY používá se v elektrických kotlích, lihovary, elektrické odsolovací zařízení a jen titany pro vroucí pitnou vodu.

Tepelná vodivost a tepelná kapacita vody je mnohem vyšší než u vzduchu a jiných plynných médií, což ve srovnání se vzduchem poskytuje lepší a rychlejší odvádění tepla z ohřívače. Proto má ohřívač vody se stejnou elektrickou energií menší geometrické rozměry.

Zde můžeme uvést jednoduchý příklad: když vrete vodu v běžné konvici, může být ohřívač červeně horký a poté spálit do děr. Stejný obrázek lze pozorovat u běžných kotlů určených k vaření vody ve sklenici nebo v kbelíku.

Uvedený příklad jasně ukazuje, že prvky pro ohřev vody by nikdy neměly být používány pro práci ve vzduchu. K ohřevu vody můžete použít ohřívače vzduchu, ale musíte počkat dlouho, než se voda zahřeje.

Výhodou ohřívacích prvků vody nebude vrstva stupnice vytvořená během provozu. Měřítko má zpravidla porézní strukturu a jeho tepelná vodivost je malá. Proto teplo generované spirálou jde špatně do kapaliny, ale spirála uvnitř ohřívače se zahřívá na velmi vysokou teplotu, což dříve nebo později povede k jeho vyhoření.

Aby se tomu zabránilo, je vhodné pravidelně čistit topné články pomocí různých chemikálií. Například v televizní reklamě se Calgon doporučuje chránit ohřívače pračky. Ačkoli o tomto nástroji existuje mnoho různých názorů.

Jak se zbavit měřítka

Kromě chemikálií pro ochranu proti okují se používají různá zařízení. Nejprve to jsou magnetické vodní převodníky. V silném magnetickém poli mění krystaly „tvrdých“ solí svou strukturu, mění se v vločky, zmenšují se. Měřítko je z těchto vloček méně aktivní, většina vloček je jednoduše odplavena proudem vody. Tím je zajištěna ochrana ohřívačů a potrubí od vodního kamene. Převaděče magnetických filtrů vyrábí mnoho zahraničních společností, takové společnosti existují v Rusku. Takové filtry jsou k dispozici jak pro zadlabací, tak pro horní typ.

Elektronická změkčovače vody

V poslední době jsou elektronická změkčovače vody stále populárnější. Navenek všechno vypadá velmi jednoduše. Na potrubí je instalována malá skříňka, ze které vycházejí anténní dráty. Dráty jsou ovinuty dráty a ani nemusíte odlupovat barvu. Zařízení může být instalováno na libovolném přístupném místě, jak je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7. Elektronický změkčovač vody

Jediné, co potřebujete k připojení zařízení, je zásuvka 220V.Zařízení je navrženo pro dlouhodobé zapnutí, není nutné jej pravidelně vypínat, protože vypnutí způsobí opětovné ztvrdnutí vody, opět se vytvoří vodní kámen.

Princip činnosti zařízení je omezen na emise vibrací v rozsahu ultrazvukových frekvencí, které mohou dosáhnout až 50 kHz. Frekvence kmitání je řízena pomocí ovládacího panelu zařízení. Záření je produkováno v dávkách několikrát za sekundu, čehož je dosaženo pomocí vestavěného mikrokontroléru. Síla fluktuací je malá, proto taková zařízení nepředstavují žádné nebezpečí pro lidské zdraví.

Vhodnost instalace takových zařízení je snadné určit. Všechno jde dolů k určení, jak tvrdě voda teče z vodovodu. Zde nepotřebujete ani žádné „abstrusční“ spotřebiče: pokud vaše pokožka po mytí vyschne, objeví se na dlaždicích bílé skvrny od šplouchání vody, v konvici se objeví stupnice, pračka smaže pomaleji než na začátku provozu - z kohoutku vytéká tvrdá voda. To vše může vést k selhání topných článků, a tím i samotných kotlů nebo praček.

Tvrdá voda nerozpouští různé čisticí prostředky - od běžných mýdel po vysoce moderní mycí prostředky. Výsledkem je, že musíte vložit více prášků, ale trochu to pomůže, protože krystaly solí tvrdosti jsou zadržovány v tkáních, kvalita praní zůstává mnohem žádoucí. Všechny uvedené známky tvrdosti vody výmluvně naznačují, že je nutné nainstalovat změkčovače vody.

Připojení a ověření topných těles

Při připojování ohřívače je nutné použít vodič vhodného průřezu. Vše záleží na proudu protékajícím ohřívačem. Nejčastěji jsou známy dva parametry. Toto je síla samotného ohřívače a napájecí napětí. K určení proudu stačí dělit energii napájecím napětím.

Jednoduchý příklad. K dispozici je topné těleso o výkonu 1 kW (1 000 W) pro napájecí napětí 220 V. U takového topení se ukáže, že aktuální je

I = P / U = 1000/220 = 4,545A.

Podle tabulek umístěných v PUE může takový proud poskytovat drát s průřezem 0,5 mm2 (11A), ale pro zajištění mechanické pevnosti je lepší použít drát s průřezem alespoň 2,5 mm2. Jen takový drát je nejčastěji dodáván s elektřinou do vývodů.

Ale před provedením připojení byste se měli ujistit, že i nový, právě zakoupený TEN je v dobrém stavu. Nejprve je nutné změřit jeho odpor a zkontrolovat integritu izolace. Odpor topného článku je poměrně jednoduchý na výpočet. K tomu je nutné čtvercovat napájecí napětí a rozdělit silou. Například pro ohřívač 1 000 W vypadá tento výpočet takto:

220 * 220/1000 = 48,4 ohm.

Takový odpor by měl být prokázán multimetrem při jeho připojení ke svorkám ohřívače. Pokud je spirála zlomená, multimetr přirozeně ukáže přestávku. Pokud vezmeme topný článek s jinou silou, pak bude samozřejmě odpor odlišný.

Chcete-li zkontrolovat integritu izolace, změřte odpor mezi některým z terminálů a kovovým krytem ohřívače. Odpor výplně-izolátoru je takový, že na jakémkoli měřicím limitu by měl multimetr vykazovat zlom. Pokud se ukáže, že odpor je nulový, má spirála kontakt s kovovým krytem ohřívače. To se může stát iu nového, který si právě koupil topný článek.

Obvykle se používá k testování izolace speciální megaohmmetr zařízení, ale ne vždy a ne všichni to mají po ruce. Normální multimetrový test je tedy také docela vhodný. Musí být provedena alespoň taková kontrola.

Jak již bylo zmíněno, ohřívací prvky mohou být ohnuty i po naplnění izolátorem. Existují různé typy ohřívačů: ve formě rovné trubky, tvaru U, válcované do prstence, hada nebo spirály.Vše záleží na zařízení topného zařízení, ve kterém má být topné těleso instalováno. Například v proudícím ohřívači vody pračky jsou TEN stočeny do spirály.

Některé TENY mají prvky ochrany. Nejjednodušší ochranou je tepelná pojistka. Pokud to shořelo, musíte vyměnit celé topení, ale nedosáhne ohně. Existuje složitější systém ochrany, který umožňuje použití ohřívače po jeho provozu.

Jednou z takových ochran je ochrana založená na bimetalické desce: teplo z přehřátého topného prvku ohýbá bimetalickou desku, která otevírá kontakt a odpojuje topný prvek od napájení. Jakmile teplota klesne na přijatelnou hodnotu, bimetalická deska se vysune, kontakt se uzavře a ohřívač je opět připraven k provozu.

TENY s regulátorem teploty

Při nepřítomnosti teplé vody je nutné použít kotle. Konstrukce kotlů je poměrně jednoduchá. Jedná se o kovovou nádobu skrytou v „kožichu“ z tepelného izolátoru, na jehož vrcholu je dekorativní kovové pouzdro. V pouzdře je zabudován teploměr ukazující teplotu vody. Konstrukce kotle je znázorněna na obrázku 8.

Obrázek 8. Zásobní kotel

Některé kotle obsahují hořčíkovou anodu. Jeho účelem je ochrana proti korozi ohřívače a vnitřní nádrže kotle. Horčíková anoda je spotřebním materiálem, který musí být pravidelně udržován během údržby kotle. U některých kotlů, zřejmě z levné cenové kategorie, však taková ochrana není poskytována.

Jako topný článek v kotlích se používá ohřívač s regulátorem teploty, konstrukce jednoho z nich je znázorněna na obrázku 9.

Obrázek 9. TEN s regulátorem teploty

V plastové krabičce je umístěn mikrospínač, který je spouštěn snímačem teploty kapaliny (přímá trubka vedle ohřívače). Tvar samotného ohřívače může být nejrozmanitější, obrázek ukazuje nejjednodušší. Vše záleží na výkonu a konstrukci kotle. Stupeň zahřívání je řízen polohou mechanického kontaktu ovládanou bílou kulatou rukojetí umístěnou ve spodní části krabice. Existují také svorky pro napájení elektrického proudu. Ohřívač je upevněn závitem.

Mokré a suché ohřívače

Takový ohřívač je v přímém kontaktu s vodou, takže se tento ohřívač nazývá „mokrý“. Životnost „mokrého“ topného článku je do 2 ... 5 let, po čemž musí být změněna. Obecně je životnost krátká.

Pro zvýšení životnosti topného článku a celého kotle jako celku vyvinula francouzská společnost Atlantic v 90. letech minulého století návrh „suchého“ topného článku. Jednoduše řečeno, ohřívač byl skryt v kovové ochranné baňce, která vylučovala přímý kontakt s vodou: topný prvek je ohříván uvnitř baňky, která přenáší teplo do vody.

Teplota baňky je samozřejmě mnohem nižší než samotný ohřívací prvek, takže tvorba vodního kamene se stejnou tvrdostí vody není tak intenzivní, více vody se přenáší do vody. Životnost takových topných těles dosahuje 10 ... 15 let. To platí pro dobré provozní podmínky, zejména pro stabilitu napájecího napětí. Ale i za dobrých podmínek produkují „suché“ topné články své vlastní zdroje a musí být změněny.

Zde se objevila ještě jedna výhoda technologie „suchých“ topných článků: při výměně topného tělesa není nutné vypouštět vodu z kotle, pro kterou by měla být odpojena od potrubí. Jednoduše vypněte topení a nahraďte jej novým.

Atlantik samozřejmě patentoval svůj vynález, poté začal licenci prodávat jiným společnostem. V současné době také jiné společnosti, například Electrolux a Gorenje, vyrábějí kotle se „suchým“ topným článkem. Konstrukce kotle se „suchým“ topným článkem je znázorněna na obrázku 10.

Obrázek 10. Kotel se suchým topením

Mimochodem, obrázek ukazuje kotel s keramickým steatitovým topením. Zařízení takového ohřívače je znázorněno na obr. 11.

Obrázek 11. Keramický ohřívač

Na keramickém podkladu je upevněna běžná otevřená spirála drátu s vysokým odporem. Teplota ohřevu spirály dosahuje 800 stupňů a je přenášena konvekcí a tepelným zářením do okolního prostředí (vzduch pod ochrannou skořepinou). Samozřejmě takový ohřívač, který se používá u kotlů, může pracovat pouze v ochranném plášti, ve vzduchu je přímý kontakt s vodou jednoduše vyloučen.

Spirála může být navinuta v několika sekcích, o čemž svědčí přítomnost několika terminálů pro připojení. To vám umožní změnit výkon ohřívače. Maximální měrný výkon těchto ohřívačů nepřesahuje 9 W / cm².

Podmínkou pro normální provoz takového ohřívače je absence mechanického zatížení, ohybů a vibrací. Povrch nesmí být znečištěn rzí nebo olejovými skvrnami. A samozřejmě čím stabilnější je napájecí napětí, bez přepětí a přepětí, tím odolnější je ohřívač.

Elektrická technologie však nezůstává v klidu. Technologie se vyvíjejí a zlepšují, proto se kromě topných článků v současné době vyvíjí a úspěšně používá celá řada topných článků. Jedná se o keramické topné články, uhlíkové topné prvky, infračervené topné články, ale toto bude téma jiného článku.

Pokračování článku:Moderní topné prvky