Elementos calefactores eléctricos, elementos calefactores, tipos, diseños, conexiones y pruebas.

Los elementos de calefacción eléctrica se utilizan en equipos domésticos e industriales. El uso de varios calentadores es conocido por todos. Estas son cocinas eléctricas, hornos y hornos, cafeteras eléctricas, hervidores eléctricos y aparatos de calefacción de varios diseños.

Calentadores de agua eléctricos, comúnmente conocidos como calderas, también contienen elementos calefactores. La base de muchos elementos calefactores es un cable con alta resistencia eléctrica. Y más a menudo este cable está hecho de nicromo.

Espiral abierta de nicromo

El elemento calefactor más antiguo es quizás la espiral de nicromo habitual. Érase una vez, estufas eléctricas caseras, calderas de agua y calentadores de cabras estaban en uso. Tener a mano un cable de nicromo que podría "apoderarse" de la producción, haciendo una espiral de la potencia requerida no presentó ningún problema.

El extremo del cable de la longitud deseada se inserta en el corte del cabrestante, el cable se pasa entre dos bloques de madera. El tornillo de banco debe sujetarse para que toda la estructura se sostenga como se muestra en la figura. La fuerza de sujeción debe ser tal que el cable pase a través de las barras con cierto esfuerzo. Si la fuerza de sujeción es grande, entonces el cable simplemente se romperá.

Figura 1. Bobinado en espiral de nicromo

Al girar el collar, el cable se tira a través de las barras de madera y, con cuidado, se da vuelta sobre una barra de metal. En el arsenal de electricistas había un conjunto completo de llaves de varios diámetros de 1.5 a 10 mm, lo que hizo posible enrollar espirales para todas las ocasiones.

Se sabía de qué diámetro es el cable y qué longitud se requiere para enrollar la espiral de la potencia requerida. Estos números mágicos todavía se pueden encontrar en Internet. La Figura 2 muestra una tabla que muestra datos en espirales de varias capacidades a un voltaje de suministro de 220V.

Figura 2. Cálculo de la espiral eléctrica del elemento calefactor (haga clic en la imagen para ampliarla)

Aquí todo es simple y claro. Habiendo establecido la potencia requerida y el diámetro del alambre de nicromo a mano, solo queda cortar un pedazo de la longitud deseada y enrollarlo en un mandril del diámetro correspondiente. Al mismo tiempo, la tabla muestra la longitud de la espiral resultante. ¿Y qué pasa si hay un cable con un diámetro no especificado en la tabla? En este caso, la espiral solo tendrá que calcularse.

Cómo calcular una espiral de nicromo

Si es necesario, calcular la espiral es bastante simple. Como ejemplo, el cálculo de una espiral hecha de alambre de nicromo con un diámetro de 0,45 mm (este diámetro no está en la tabla) con una potencia de 600 W para un voltaje de 220V. Todos los cálculos se realizan de acuerdo con la ley de Ohm.

Acerca de cómo convertir amperios a vatios y, por el contrario, vatios a amperios:

Cuántos amperios hay en amperios, cómo convertir amperios en vatios y kilovatios

Primero, debe calcular la corriente consumida por la espiral.

I = P / U = 600/220 = 2.72 A

Para hacer esto, es suficiente dividir la potencia establecida por el voltaje y obtener la cantidad de corriente que pasa a través de la espiral. La potencia en vatios, el voltaje en voltios, produce amperios. Todo de acuerdo con el sistema SI.

Usando la corriente conocida ahora, es bastante simple calcular la resistencia requerida de la espiral: R = U / I = 220 / 2.72 = 81 Ohms

La fórmula para calcular la resistencia de un conductor es R = ρ * L / S,

donde ρ es la resistencia específica del conductor (para nicromo 1.0 ÷ 1.2 Ohm • mm2 / m), L es la longitud del conductor en metros, S es la sección transversal del conductor en milímetros cuadrados. Para un conductor con un diámetro de 0,45 mm, la sección transversal es de 0,159 mm2.

Por lo tanto, L = S * R / ρ = 0.159 * 81 / 1.1 = 1170 mm, o 11.7 m.

En general, el cálculo no es tan complicado.Sí, de hecho, la fabricación de una espiral no es tan difícil, lo que, sin duda, es la ventaja de las espirales de nicromo ordinarias. Pero esta ventaja está bloqueada por muchas deficiencias inherentes a las espirales abiertas.

En primer lugar, esta es una temperatura de calentamiento bastante alta: 700 ... 800˚C. La espiral calentada tiene un tenue resplandor rojo, tocarla accidentalmente puede causar una quemadura. Además, es posible una descarga eléctrica. Una espiral al rojo vivo quema el oxígeno del aire, atrae partículas de polvo hacia sí, lo que, cuando se quema, da un aroma muy desagradable.

Pero el principal inconveniente de las espirales abiertas debe considerarse su alto riesgo de incendio. Por lo tanto, el departamento de bomberos simplemente prohíbe el uso de calentadores con espiral abierta. Dichos calentadores, en primer lugar, incluyen la llamada "cabra", cuyo diseño se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Calentador de cabra casero

Aquí hay una "cabra" tan salvaje: fue hecha deliberadamente descuidadamente, simplemente, incluso muy mal. Un incendio con dicho calentador no tendrá que esperar mucho. Un diseño más avanzado de dicho calentador se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Casa "Cabra"

Es fácil ver que la espiral está cerrada por una carcasa metálica, esto es lo que evita tocar las partes calientes de las partes vivas. El riesgo de incendio de dicho dispositivo es mucho menor que el que se muestra en la figura anterior.

Ver este tema:¿Por qué son peligrosas la "cabra" y una caldera casera?

Érase una vez en la URSS, se produjeron calentadores-reflectores. En el centro del reflector niquelado había un cartucho de cerámica en el que, como una bombilla con una tapa E27, se enroscaba un calentador de 500W. El riesgo de incendio de dicho reflector también es muy alto. Bueno, de alguna manera no pensé en esos días a qué podría conducir el uso de tales calentadores.

Figura 5. Calentador reflejo

Es bastante obvio que varios calentadores con una espiral abierta pueden, contrariamente a los requisitos de la inspección contra incendios, usarse solo bajo supervisión vigilante: si sale de la habitación, ¡apague el calentador! Mejor aún, simplemente abandone el uso de calentadores de este tipo.

Elementos calefactores en espiral cerrados

Para deshacerse de una espiral abierta, se inventaron los calentadores eléctricos tubulares - TEN. El diseño del calentador se muestra en la Figura 6.

Figura 6. El diseño del calentador.

La espiral de nicromo 1 está oculta dentro de un tubo de metal de pared delgada 2. La espiral está aislada del tubo por el relleno 3 con alta conductividad térmica y alta resistencia eléctrica. La periclasa (una mezcla cristalina de óxido de magnesio MgO, a veces con impurezas de otros óxidos) se usa con mayor frecuencia como relleno.

Después de llenar con un compuesto aislante, el tubo se presiona y, a alta presión, la periclasa se convierte en un monolito. Después de tal operación, la espiral se fija rígidamente, por lo tanto, el contacto eléctrico con el tubo del cuerpo queda completamente excluido. El diseño es tan fuerte que cualquier calentador se puede doblar si el diseño del calentador lo requiere. Algunos elementos calefactores tienen una forma muy extraña.

La espiral está conectada a los cables metálicos 4, que salen a través de los aisladores 5. Los cables conductores están conectados a los extremos roscados de los cables 4 con tuercas y arandelas 7. Los elementos calefactores se sujetan en la carcasa del dispositivo con tuercas y arandelas 6, lo que garantiza, si es necesario, la estanqueidad de la conexión.

Bajo la observación de las condiciones de operación, tal diseño es bastante confiable y duradero. Esto es precisamente lo que condujo al uso muy extendido de elementos calefactores en dispositivos para diversos fines y diseños.

Según las condiciones de funcionamiento, los elementos calefactores se dividen en dos grandes grupos: aire y agua. Pero ese es solo ese nombre. De hecho, los elementos de calentamiento de aire están diseñados para funcionar en diversos entornos de gas.Incluso el aire atmosférico ordinario es una mezcla de varios gases: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, incluso hay impurezas de argón, neón, criptón, etc.

El ambiente del aire es muy diverso. Puede ser aire atmosférico tranquilo o una corriente de aire que se mueve a una velocidad de varios metros por segundo, como en los calentadores de ventilador o pistolas de calor.

El calentamiento de la carcasa del calentador puede alcanzar los 450 ° C e incluso más. Por lo tanto, para la fabricación de la cubierta tubular exterior, se utilizan diversos materiales. Puede ser acero al carbono ordinario, acero inoxidable o acero resistente al calor y resistente al calor. Todo depende del medio ambiente.

Para mejorar la transferencia de calor, algunos elementos calefactores están equipados con nervaduras en los tubos en forma de cinta metálica enrollada. Tales calentadores se llaman aletados. El uso de tales elementos es más apropiado en un entorno de aire en movimiento, por ejemplo, en calentadores de ventilador y pistolas de calor.

Los elementos de calentamiento de agua tampoco se usan necesariamente en agua; este es el nombre general para varios medios líquidos. Puede ser aceite, fuel oil e incluso varios líquidos agresivos. TENY líquido utilizado en calderas eléctricas, destiladores, plantas desaladoras eléctricas y solo titanes para hervir agua potable.

La conductividad térmica y la capacidad de calor del agua son mucho más altas que las del aire y otros medios gaseosos, lo que proporciona, en comparación con el aire, una eliminación de calor mejor y más rápida del calentador. Por lo tanto, con la misma potencia eléctrica, el calentador de agua tiene dimensiones geométricas más pequeñas.

Aquí podemos dar un ejemplo simple: cuando hierve agua en un hervidor eléctrico común, el calentador puede calentarse al rojo vivo y luego quemarse. La misma imagen se puede observar con las calderas ordinarias, diseñadas para hervir agua en un vaso o en un balde.

El ejemplo dado demuestra claramente que los elementos de calentamiento de agua nunca deben usarse para trabajar en el aire. Puede usar elementos de calentamiento de aire para calentar el agua, pero solo tiene que esperar mucho tiempo hasta que el agua hierva.

No en beneficio de los elementos de calentamiento de agua será una capa de incrustación formada durante la operación. La escala, como regla, tiene una estructura porosa y su conductividad térmica es pequeña. Por lo tanto, el calor generado por la espiral entra mal en el líquido, pero la espiral dentro del calentador se calienta a una temperatura muy alta, que tarde o temprano conducirá a su agotamiento.

Para evitar que esto suceda, es aconsejable limpiar periódicamente los elementos de calentamiento utilizando diversos productos químicos. Por ejemplo, en un anuncio de televisión, Calgon se recomienda para proteger los calentadores de lavadora. Aunque sobre esta herramienta, hay muchas opiniones diferentes.

Cómo deshacerse de la escala

Además de los productos químicos para la protección contra la incrustación, se utilizan varios dispositivos. En primer lugar, estos son convertidores magnéticos de agua. En un poderoso campo magnético, los cristales de sales "duras" cambian su estructura, se convierten en escamas, se vuelven más pequeños. La incrustación es menos activa a partir de estos copos; la mayoría de los copos simplemente son arrastrados por una corriente de agua. Esto garantiza la protección de los calentadores y tuberías contra la escala. Los convertidores de filtro magnético son producidos por muchas compañías extranjeras, tales compañías existen en Rusia. Dichos filtros están disponibles tanto en mortaja como en techo.

Ablandadores de agua electrónicos

Recientemente, los ablandadores de agua electrónicos se están volviendo cada vez más populares. Exteriormente, todo parece muy simple. Se instala una pequeña caja en la tubería, de donde salen los cables de la antena. Los cables se enrollan alrededor de la tubería y ni siquiera necesita quitar la pintura. El dispositivo se puede instalar en cualquier lugar accesible, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Descalcificador electrónico de agua

Lo único que necesita para conectar el dispositivo es una toma de corriente de 220V.El dispositivo está diseñado para un encendido a largo plazo, no es necesario apagarlo periódicamente, ya que apagarlo hará que el agua se endurezca nuevamente y se formará una nueva escala.

El principio de funcionamiento del dispositivo se reduce a la emisión de vibraciones en el rango de frecuencias ultrasónicas, que pueden alcanzar hasta 50KHz. La frecuencia de oscilación se controla mediante el panel de control del dispositivo. La radiación se produce en lotes varias veces por segundo, lo que se logra utilizando el microcontrolador incorporado. El poder de las fluctuaciones es pequeño, por lo tanto, tales dispositivos no representan ninguna amenaza para la salud humana.

La conveniencia de instalar dichos dispositivos es fácil de determinar. Todo se reduce a determinar qué tan fuerte fluye el agua desde la tubería de agua. Aquí ni siquiera necesita ningún aparato "abstruso": si su piel se seca después del lavado, aparecen manchas blancas en el azulejo por salpicaduras de agua, la escala aparece en el hervidor de agua, la lavadora se borra más lentamente que al comienzo de la operación: el agua dura definitivamente fluye del grifo. Todo esto puede conducir a la falla de los elementos de calentamiento y, por lo tanto, de los hervidores o las lavadoras.

El agua dura no disuelve varios detergentes, desde jabones comunes hasta detergentes para ropa de moda. Como resultado, debe poner más polvos, pero esto ayuda un poco, ya que los cristales de sales de dureza se retienen en los tejidos, la calidad del lavado deja mucho que desear. Todos los signos enumerados de dureza del agua indican elocuentemente que es necesario instalar ablandadores de agua.

Conexión y verificación de elementos calefactores.

Al conectar el calentador, se debe utilizar un cable de una sección transversal adecuada. Todo depende de la corriente que fluye a través del calentador. Muy a menudo, se conocen dos parámetros. Esta es la potencia del calentador y la tensión de alimentación. Para determinar la corriente, es suficiente dividir la potencia por la tensión de alimentación.

Un simple ejemplo. Deje que haya un elemento calefactor con una potencia de 1 kW (1000 W) para una tensión de alimentación de 220V. Para tal calentador, resulta que la corriente es

I = P / U = 1000/220 = 4.545A.

Según las tablas ubicadas en el PUE, dicha corriente puede proporcionar un cable con una sección transversal de 0,5 mm2 (11A), pero para garantizar la resistencia mecánica es mejor utilizar un cable con una sección transversal de al menos 2,5 mm2. Solo un cable de este tipo se suministra con mayor frecuencia con electricidad a las salidas.

Pero antes de realizar la conexión, debe asegurarse de que incluso el nuevo TEN recién comprado esté en buenas condiciones. En primer lugar, es necesario medir su resistencia y verificar la integridad del aislamiento. La resistencia del elemento calefactor es bastante simple de calcular. Para hacer esto, es necesario ajustar el voltaje de suministro y dividirlo por el poder. Por ejemplo, para un calentador de 1000 W, este cálculo se ve así:

220 * 220/1000 = 48.4ohm.

Tal resistencia debe mostrarse por un multímetro cuando se conecta a los terminales del calentador. Si la espiral se rompe, entonces, naturalmente, el multímetro mostrará un descanso. Si tomamos un elemento calefactor de una potencia diferente, entonces la resistencia, por supuesto, será diferente.

Para verificar la integridad del aislamiento, mida la resistencia entre cualquiera de los terminales y la carcasa metálica del calentador. La resistencia del aislante de relleno es tal que, en cualquier límite de medición, el multímetro debe mostrar una ruptura. Si resulta que la resistencia es cero, entonces la espiral tiene contacto con la carcasa metálica del calentador. Esto puede suceder incluso con uno nuevo, recién comprado por un elemento calefactor.

Generalmente se usa para probar el aislamiento dispositivo especial megaohmímetro, pero no siempre y no todos lo tienen a la mano. Por lo tanto, una prueba de multímetro normal también es bastante adecuada. Al menos tal verificación debe hacerse.

Como ya se mencionó, los elementos calefactores pueden doblarse incluso después de llenarlos con un aislante. Hay varios tipos de calentadores: en forma de tubo recto, en forma de U, enrollado en forma de anillo, serpiente o espiral.Todo depende del dispositivo del dispositivo de calefacción en el que se supone que se instalará el calentador. Por ejemplo, en un calentador de agua que fluye de una lavadora, las RTE se tuercen en espiral.

Algunos TENY tienen elementos de protección. La protección más simple es un fusible térmico. Bueno, si se quemó, entonces tienes que cambiar todo el calentador, pero no alcanzará el fuego. Existe un sistema de protección más complejo que permite el uso de un calentador después de su funcionamiento.

Una de esas protecciones es una protección basada en una placa bimetálica: el calor de un elemento calefactor sobrecalentado dobla la placa bimetálica, que abre el contacto y desenergiza el elemento calefactor. Después de que la temperatura cae a un valor aceptable, la placa bimetálica se extiende, el contacto se cierra y el calentador está listo para funcionar nuevamente.

TENY con un regulador de temperatura

En ausencia de suministro de agua caliente, es necesario utilizar calderas. El diseño de las calderas es bastante simple. Este es un contenedor de metal escondido en un "abrigo de piel" de un aislante térmico, sobre el cual se encuentra una caja metálica decorativa. Un termómetro está incrustado en el estuche, que muestra la temperatura del agua. El diseño de la caldera se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Caldera de almacenamiento

Algunas calderas contienen un ánodo de magnesio. Su propósito es la protección contra la corrosión del calentador y el tanque interno de la caldera. El ánodo de magnesio es un consumible; debe cambiarse periódicamente durante el mantenimiento de la caldera. Pero en algunas calderas, aparentemente de una categoría de precios baratos, no se brinda dicha protección.

Como elemento calefactor en las calderas, se usa un calentador con un regulador de temperatura, el diseño de uno de ellos se muestra en la Figura 9.

Figura 9. DIEZ con un regulador de temperatura

Un microinterruptor se encuentra en la caja de plástico, que se activa mediante un sensor de temperatura del líquido (un tubo directo al lado del calentador). La forma del calentador en sí puede ser la más diversa, la figura muestra la más simple. Todo depende de la potencia y el diseño de la caldera. El grado de calentamiento se controla mediante la posición del contacto mecánico controlado por un mango redondo blanco ubicado en la parte inferior de la caja. También hay terminales para el suministro de corriente eléctrica. El calentador está sujeto con hilo.

Calentadores Húmedos y Secos

Tal calentador está en contacto directo con el agua, por lo que este calentador se llama "húmedo". La vida útil de un elemento calefactor "húmedo" es de 2 ... 5 años, después de lo cual debe cambiarse. En general, la vida útil es corta.

Para aumentar la vida útil del elemento calefactor y de toda la caldera en su conjunto, la empresa francesa Atlantic en los años 90 del siglo pasado desarrolló el diseño de un elemento calefactor "seco". En pocas palabras, el calentador estaba oculto en un matraz protector de metal que excluía el contacto directo con el agua: el elemento calefactor se calienta dentro del matraz, que transfiere calor al agua.

Naturalmente, la temperatura del matraz es mucho más baja que el elemento calefactor en sí mismo; por lo tanto, la formación de incrustaciones con la misma dureza del agua no es tan intensa, se transfiere más calor al agua. La vida útil de tales calentadores alcanza 10 ... 15 años. Lo anterior es cierto para buenas condiciones de operación, especialmente la estabilidad de la tensión de alimentación. Pero incluso en buenas condiciones, los elementos calefactores "secos" también producen sus propios recursos, y deben cambiarse.

Aquí se revela una ventaja más de la tecnología del elemento calefactor "seco": al reemplazar el calentador, no hay necesidad de drenar el agua de la caldera, por lo que debe desconectarse de la tubería. Simplemente apague el calentador y reemplácelo por uno nuevo.

Atlantic, por supuesto, patentó su invención, después de lo cual comenzó a vender la licencia a otras compañías. En la actualidad, otras compañías, por ejemplo, Electrolux y Gorenje, también producen calderas con un elemento calefactor "seco". El diseño de la caldera con un elemento calefactor "seco" se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Caldera con un calentador "seco"

Por cierto, la figura muestra una caldera con un calentador de esteatita de cerámica. El dispositivo de dicho calentador se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Calentador de cerámica

En la base de cerámica se fija una espiral abierta convencional de alambre de alta resistencia. La temperatura de calentamiento de la espiral alcanza los 800 grados y se transfiere al medio ambiente (aire bajo una cubierta protectora) por convección y radiación de calor. Naturalmente, un calentador tal como se aplica a las calderas solo puede funcionar en una carcasa protectora, en el aire, simplemente se excluye el contacto directo con el agua.

La espiral se puede enrollar en varias secciones, como lo demuestra la presencia de varios terminales para la conexión. Esto le permite cambiar la potencia del calentador. La potencia específica máxima de tales calentadores no supera los 9W / cm.².

La condición para el funcionamiento normal de dicho calentador es la ausencia de cargas mecánicas, curvas y vibraciones. La superficie no debe estar contaminada por óxido o manchas de aceite. Y, por supuesto, cuanto más estable sea el voltaje de suministro, sin sobretensiones, más duradera será la calefacción.

Pero la tecnología eléctrica no se detiene. Las tecnologías se están desarrollando, mejorando, por lo tanto, además de los elementos de calentamiento, actualmente se desarrolla y utiliza con éxito una amplia variedad de elementos de calentamiento. Estos son elementos de calentamiento de cerámica, elementos de calentamiento de carbono, elementos de calentamiento por infrarrojos, pero este será el tema de otro artículo.

Continuación del artículo:Elementos de calentamiento modernos.