Elektrische verwarmingselementen, verwarmingselementen, typen, ontwerpen, aansluiting en testen

Elektrische verwarmingselementen worden gebruikt in huishoudelijke en industriële apparatuur. Het gebruik van verschillende kachels is bij iedereen bekend. Dit zijn elektrische kachels, ovens en ovens, elektrische koffiezetapparaten, waterkokers en verwarmingstoestellen van verschillende uitvoeringen.

Elektrische boilers, meestal aangeduid als boilers, bevatten ook verwarmingselementen. De basis van veel verwarmingselementen is een draad met een hoge elektrische weerstand. En meestal is deze draad gemaakt van nichrome.

Open nichrome spiraal

Het oudste verwarmingselement is misschien de gebruikelijke nichrome spiraal. Er waren eens zelfgemaakte elektrische kachels, waterkokers en geitenverwarmers in gebruik. Het bij de hand hebben van een nichrome draad die "in handen kon krijgen" in productie, het maken van een spiraal van de vereiste stroom leverde geen problemen op.

Het uiteinde van de draad met de vereiste lengte wordt in de snede van de lier gestoken, de draad zelf wordt tussen twee houten blokken geleid. De bankschroef moet worden vastgeklemd zodat de hele structuur wordt vastgehouden zoals weergegeven in de afbeelding. De klemkracht moet zodanig zijn dat de draad met enige inspanning door de staven gaat. Als de klemkracht groot is, zal de draad eenvoudig breken.

Figuur 1. Nichrome spiraalwikkeling

Door de kraag te draaien, wordt de draad door de houten staven getrokken en voorzichtig, draai om te draaien, op een metalen staaf gelegd. In het arsenaal van elektriciens was er een hele reeks sleutels van verschillende diameters van 1,5 tot 10 mm, waardoor het mogelijk was om spiralen voor alle gelegenheden te winden.

Het was bekend welke diameter de draad is en welke lengte nodig is om de spiraal van het vereiste vermogen te wikkelen. Deze magische nummers zijn nog steeds op internet te vinden. Figuur 2 toont een tabel die gegevens toont over spiralen met verschillende capaciteiten bij een voedingsspanning van 220V.

Figuur 2. Berekening van de elektrische spiraal van het verwarmingselement (klik op de afbeelding om te vergroten)

Alles is hier eenvoudig en duidelijk. Na het vereiste vermogen en de diameter van de nichrome draad bij de hand te hebben ingesteld, blijft het alleen om een ​​stuk van de gewenste lengte te snijden en het op een doorn met de overeenkomstige diameter te winden. Tegelijkertijd toont de tabel de lengte van de resulterende spiraal. En wat als er een draad is met een diameter die niet in de tabel staat? In dit geval moet de spiraal gewoon worden berekend.

Hoe een nichrome spiraal te berekenen

Bereken indien nodig de spiraal vrij eenvoudig. Als voorbeeld, de berekening van een spiraal gemaakt van nichrome draad met een diameter van 0,45 mm (deze diameter staat niet in de tabel) met een vermogen van 600 W voor een spanning van 220V. Alle berekeningen worden uitgevoerd volgens de wet van Ohm.

Over het omzetten van ampères naar watt en, omgekeerd, watt naar ampères:

Hoeveel ampères zijn in ampères, hoe kunnen ampères worden omgezet in watt en kilowatt

Eerst moet u de stroom berekenen die door de spiraal wordt verbruikt.

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

Om dit te doen, volstaat het om het ingestelde vermogen te delen door spanning en de hoeveelheid stroom te krijgen die door de spiraal stroomt. Vermogen in watt, spanning in volt, resulteren in ampères. Alles volgens het SI-systeem.

Met behulp van de nu bekende stroom is het berekenen van de vereiste weerstand van de spiraal vrij eenvoudig: R = U / I = 220 / 2.72 = 81 Ohm

De formule voor het berekenen van de weerstand van een geleider is R = ρ * L / S,

waarbij ρ de specifieke weerstand van de geleider is (voor nichrome 1,0 ÷ 1,2 Ohm • mm2 / m), L is de lengte van de geleider in meters, S is de dwarsdoorsnede van de geleider in vierkante millimeter. Voor een geleider met een diameter van 0,45 mm is de doorsnede 0,159 mm2.

Vandaar dat L = S * R / ρ = 0.159 * 81 / 1.1 = 1170 mm, of 11,7 m.

Over het algemeen is de berekening niet zo ingewikkeld.De vervaardiging van een spiraal is inderdaad niet zo moeilijk, wat ongetwijfeld het voordeel is van gewone nichrome spiralen. Maar dit voordeel wordt geblokkeerd door vele tekortkomingen die inherent zijn aan open spiralen.

Allereerst is dit een vrij hoge verwarmingstemperatuur - 700 ... 800˚C. De verwarmde spiraal heeft een vage rode gloed en per ongeluk aanraken kan brandwonden veroorzaken. Bovendien is een elektrische schok mogelijk. Een roodgloeiende spiraal verbrandt de zuurstof uit de lucht, trekt stofdeeltjes naar zich toe, die, wanneer ze worden uitgebrand, een zeer onaangenaam aroma geven.

Maar het belangrijkste nadeel van open spiralen moet worden beschouwd als hun hoge brandgevaar. Daarom verbiedt de brandweer eenvoudig het gebruik van kachels met een open spiraal. Dergelijke verwarmers omvatten allereerst de zogenaamde "geit", waarvan het ontwerp is weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. Zelfgemaakte geitverwarmer

Dit is hoe de wilde "geit" bleek: het was opzettelijk onzorgvuldig gemaakt, eenvoudig, zelfs heel erg. Een brand met zo'n verwarming hoeft niet lang te wachten. Een geavanceerder ontwerp van een dergelijke verwarmer wordt getoond in figuur 4.

Figuur 4. "Geit" thuis

Het is gemakkelijk om te zien dat de spiraal wordt afgesloten door een metalen behuizing, het is dit dat het aanraken van verwarmde delen van onder spanning staande delen voorkomt. Het brandgevaar van een dergelijk apparaat is veel minder dan dat getoond in de vorige figuur.

Zie dit onderwerp:Waarom zijn de "geit" en een zelfgemaakte ketel gevaarlijk?

Er waren eens in de USSR verwarmers-reflectoren. In het midden van de vernikkelde reflector was er een keramische cartridge, waarin, zoals een lamp met een E27-dop, een 500W-verwarming was geschroefd. Het brandgevaar van een dergelijke reflector is ook erg hoog. Nou, ik dacht op een of andere manier niet in die dagen waartoe het gebruik van dergelijke kachels kon leiden.

Figuur 5. Reflexverwarming

Het is vrij duidelijk dat verschillende kachels met een open spiraal, in tegenstelling tot de vereisten van de brandinspectie, alleen onder waakzaam toezicht kunnen worden gebruikt: als u de kamer verlaat - zet de kachel uit! Beter nog, verlaat eenvoudig het gebruik van dit soort kachels.

Gesloten spiraalvormige verwarmingselementen

Om van een open spiraal af te komen, zijn buisvormige elektrische kachels - TEN's uitgevonden. Het ontwerp van de verwarmer is weergegeven in figuur 6.

Figuur 6. Het ontwerp van de kachel

De nichrome spiraal 1 is verborgen in een dunwandige metalen buis 2. De spiraal is geïsoleerd van de buis door vulmiddel 3 met hoge thermische geleidbaarheid en hoge elektrische weerstand. Periclase (een kristallijn mengsel van magnesiumoxide MgO, soms met onzuiverheden van andere oxiden) wordt meestal als vulstof gebruikt.

Na het vullen met een isolerende samenstelling wordt de buis geperst en onder hoge druk verandert het periclase in een monoliet. Na een dergelijke operatie is de spiraal star bevestigd, daarom is elektrisch contact met de lichaamsbuis volledig uitgesloten. Het ontwerp is zo sterk dat elke verwarmer kan worden gebogen als het ontwerp van de verwarmer dit vereist. Sommige verwarmingselementen hebben een zeer bizarre vorm.

De spiraal is verbonden met de metalen leidingen 4, die door de isolatoren 5 naar buiten komen. De geleidingsdraden zijn met moeren en ringen 7 met de schroefdraaduiteinden van de leidingen 4 verbonden. De verwarmingselementen zijn met moeren en ringen 6 in het apparaatlichaam bevestigd, die, indien nodig, de dichtheid van de verbinding waarborgen.

Onder inachtneming van de bedrijfsomstandigheden is een dergelijk ontwerp vrij betrouwbaar en duurzaam. Dit is precies wat leidde tot het wijdverbreide gebruik van verwarmingselementen in apparaten voor verschillende doeleinden en ontwerpen.

Afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden zijn de verwarmingselementen verdeeld in twee grote groepen: lucht en water. Maar dat is gewoon die naam. Luchtverwarmingselementen zijn zelfs ontworpen om in verschillende gasomgevingen te werken.Zelfs gewone lucht is een mengsel van verschillende gassen: zuurstof, stikstof, koolstofdioxide, er zijn zelfs onzuiverheden van argon, neon, krypton, enz.

De luchtomgeving is zeer divers. Het kan kalme lucht zijn of een stroom lucht die met een snelheid van enkele meters per seconde beweegt, zoals in luchtverhitters of warmtepistolen.

De verwarming van de verwarmingsmantel kan 450 ° C en zelfs meer bereiken. Daarom worden voor de vervaardiging van de buitenste buisvormige schaal verschillende materialen gebruikt. Het kan gewoon koolstofstaal, roestvrij staal of hittebestendig, hittebestendig staal zijn. Het hangt allemaal af van de omgeving.

Om de warmteoverdracht te verbeteren, zijn sommige verwarmingselementen uitgerust met ribben op de buizen in de vorm van een gewikkelde metalen tape. Dergelijke kachels worden finned genoemd. Het gebruik van dergelijke elementen is het meest geschikt in een omgeving met bewegende lucht, bijvoorbeeld in luchtverhitters en warmtepistolen.

Waterverwarmingselementen worden ook niet noodzakelijkerwijs in water gebruikt; dit is de algemene naam voor verschillende vloeibare media. Het kan olie, stookolie en zelfs verschillende agressieve vloeistoffen zijn. Vloeibare TENY gebruikt in elektrische ketels, distilleerders, elektrische ontziltingsinstallaties en alleen titanen voor kokend drinkwater.

De warmtegeleiding en warmtecapaciteit van water is veel hoger dan die van lucht en andere gasvormige media, wat, in vergelijking met de lucht, een betere, snellere warmteafvoer uit de verwarmer biedt. Daarom heeft de boiler met dezelfde elektrische stroom kleinere geometrische afmetingen.

Hier kunnen we een eenvoudig voorbeeld geven: bij het koken van water in een gewone waterkoker kan de kachel roodgloeiend zijn en vervolgens tot gaten opbranden. Hetzelfde beeld kan worden waargenomen met gewone ketels, ontworpen om water in een glas of in een emmer te koken.

Het gegeven voorbeeld toont duidelijk aan dat waterverwarmingselementen nooit mogen worden gebruikt voor werkzaamheden in de lucht. Je kunt luchtverwarmingselementen gebruiken om het water te verwarmen, maar je moet gewoon lang wachten tot het water kookt.

Niet in het voordeel van waterverwarmingselementen zal een schaallaag gevormd worden tijdens bedrijf. Schaal heeft in de regel een poreuze structuur en de thermische geleidbaarheid is klein. Daarom gaat de door de spiraal gegenereerde warmte slecht in de vloeistof, maar de spiraal in de verwarmer warmt op tot een zeer hoge temperatuur, die vroeg of laat zal leiden tot zijn doorbranden.

Om dit te voorkomen, is het raadzaam om de verwarmingselementen periodiek te reinigen met verschillende chemicaliën. In een televisiereclame wordt Calgon bijvoorbeeld aanbevolen voor het beschermen van wasautomaten. Hoewel er over deze tool veel verschillende meningen zijn.

Hoe zich te ontdoen van schaal

Naast chemicaliën voor bescherming tegen aanslag worden verschillende apparaten gebruikt. Allereerst zijn dit magnetische wateromzetters. In een krachtig magnetisch veld veranderen kristallen van "harde" zouten van structuur, veranderen in vlokken, worden kleiner. Schaal is minder actief van dergelijke vlokken; de meeste vlokken worden eenvoudig weggewassen door een stroom water. Dit zorgt voor de bescherming van kachels en pijpleidingen tegen kalkaanslag. Magnetische filteromzetters worden geproduceerd door veel buitenlandse bedrijven, dergelijke bedrijven bestaan ​​in Rusland. Dergelijke filters zijn zowel insteek- als bovengronds beschikbaar.

Elektronische waterontharders

Sinds kort worden elektronische waterontharders steeds populairder. Uiterlijk ziet alles er heel eenvoudig uit. Een kleine doos is geïnstalleerd op de buis, waaruit de antennedraden komen. Draden worden rond de pijp gewikkeld en u hoeft de verf niet eens af te pellen. Het apparaat kan op elke toegankelijke plaats worden geïnstalleerd, zoals weergegeven in Afbeelding 7.

Figuur 7. Elektronische waterontharder

Het enige dat u nodig hebt om het apparaat aan te sluiten, is een 220V-aansluiting.Het apparaat is ontworpen voor langdurig inschakelen, het hoeft niet periodiek te worden uitgeschakeld, omdat het uitschakelen ervoor zorgt dat het water weer hard wordt, zich opnieuw kalk zal vormen.

Het werkingsprincipe van het apparaat is beperkt tot de emissie van trillingen in het bereik van ultrasone frequenties, die kunnen oplopen tot 50 KHz. De oscillatiefrequentie wordt geregeld met behulp van het bedieningspaneel van het apparaat. Straling wordt meerdere keren per seconde in batches geproduceerd, wat wordt bereikt met behulp van de ingebouwde microcontroller. De kracht van schommelingen is klein, daarom vormen dergelijke apparaten geen bedreiging voor de menselijke gezondheid.

Het nut van het installeren van dergelijke apparaten is eenvoudig te bepalen. Het komt er allemaal op aan te bepalen hoe hard het water uit de waterleiding stroomt. Hier hebt u zelfs geen "vuile" apparaten nodig: als uw huid na het wassen droog wordt, verschijnen witte vlekken op de tegel door waterspatten, kalk verschijnt in de ketel, de wasmachine wist langzamer dan aan het begin van de werking - hard water stroomt zeker uit de kraan. Dit alles kan leiden tot falen van de verwarmingselementen, en dus van de ketels of wasmachines zelf.

Hard water lost verschillende wasmiddelen niet op - van gewone zeep tot modieuze wasmiddelen. Als gevolg hiervan moet je meer poeders aanbrengen, maar dit helpt een beetje, omdat de kristallen van hardheidzouten in de weefsels worden vastgehouden, laat de waskwaliteit te wensen over. Alle genoemde tekenen van waterhardheid geven welsprekend aan dat het noodzakelijk is om waterontharders te installeren.

Verbinding en verificatie van verwarmingselementen

Bij het aansluiten van de verwarmer moet een draad met een geschikte doorsnede worden gebruikt. Het hangt allemaal af van de stroom die door de verwarmer vloeit. Meestal zijn twee parameters bekend. Dit is het vermogen van de verwarming zelf en de voedingsspanning. Om de stroom te bepalen, volstaat het om het vermogen te delen door de voedingsspanning.

Een eenvoudig voorbeeld. Laat er een verwarmingselement zijn met een vermogen van 1 kW (1000 W) voor een voedingsspanning van 220V. Voor zo'n verwarming blijkt de stroom te zijn

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

Volgens de tabellen in de PUE kan een dergelijke stroom een ​​draad leveren met een doorsnede van 0,5 mm2 (11A), maar om mechanische sterkte te garanderen, is het beter om een ​​draad te gebruiken met een doorsnede van ten minste 2,5 mm2. Gewoon zo'n draad wordt meestal voorzien van elektriciteit naar stopcontacten.

Maar voordat u de verbinding maakt, moet u ervoor zorgen dat zelfs de nieuwe, net aangeschafte TEN in goede staat verkeert. Allereerst is het noodzakelijk om de weerstand ervan te meten en de integriteit van de isolatie te controleren. De weerstand van het verwarmingselement is vrij eenvoudig te berekenen. Om dit te doen, is het noodzakelijk om de voedingsspanning te kwadrateren en te delen door vermogen. Voor een verwarming van 1000 W ziet deze berekening er bijvoorbeeld als volgt uit:

220 * 220/1000 = 48.4ohm.

Een dergelijke weerstand moet worden getoond door een multimeter wanneer deze wordt aangesloten op de aansluitingen van de kachel. Als de spiraal gebroken is, zal de multimeter natuurlijk een breuk vertonen. Als we een verwarmingselement met een ander vermogen nemen, zal de weerstand natuurlijk anders zijn.

Om de integriteit van de isolatie te controleren, meet u de weerstand tussen een van de aansluitingen en de metalen behuizing van de kachel. De weerstand van de vuller-isolator is zodanig dat bij elke meetlimiet de multimeter een breuk moet vertonen. Als blijkt dat de weerstand nul is, heeft de spiraal contact met de metalen behuizing van de kachel. Dit kan zelfs gebeuren met een nieuwe, net gekocht door een verwarmingselement.

Over het algemeen gebruikt om isolatie te testen speciaal megaohmmeter-apparaat, maar niet altijd en niet allemaal bij de hand. Dus een normale multimetertest is ook heel geschikt. In ieder geval moet een dergelijke controle worden uitgevoerd.

Zoals reeds vermeld, kunnen de verwarmingselementen worden gebogen, zelfs na het vullen met een isolator. Er zijn verschillende soorten kachels: in de vorm van een rechte buis, U-vormig, gerold in een ring, slang of spiraal.Het hangt allemaal af van het apparaat van het verwarmingstoestel waarin de verwarming moet worden geïnstalleerd. In een stromend waterverwarmer van een wasmachine worden bijvoorbeeld TEN's in een spiraal gedraaid.

Sommige TENY hebben elementen van bescherming. De eenvoudigste bescherming is een thermische zekering. Nou, als het is afgebrand, moet je de hele kachel vervangen, maar het zal het vuur niet bereiken. Er is een complexer beveiligingssysteem dat het gebruik van een verwarmingstoestel na zijn werking mogelijk maakt.

Een van dergelijke beveiligingen is een beveiliging op basis van een bimetalen plaat: warmte van een oververhit verwarmingselement buigt de bimetalen plaat, die het contact opent en het verwarmingselement spanningsloos maakt. Nadat de temperatuur tot een acceptabele waarde is gedaald, strekt de bimetalen plaat zich uit, sluit het contact en is de kachel weer klaar voor gebruik.

TENY met een temperatuurregelaar

Bij gebrek aan warmwatervoorziening is het noodzakelijk om ketels te gebruiken. Het ontwerp van de ketels is vrij eenvoudig. Dit is een metalen container verborgen in een "bontjas" van een warmte-isolator, bovenop een decoratieve metalen behuizing. In de behuizing is een thermometer ingebed die de temperatuur van het water aangeeft. Het ontwerp van de ketel is weergegeven in figuur 8.

Figuur 8. Opslagketel

Sommige ketels bevatten een magnesiumanode. Het doel is bescherming tegen corrosie van de verwarmer en de interne tank van de ketel. De magnesiumanode is een verbruiksartikel; deze moet periodiek worden vervangen tijdens onderhoud van de ketel. Maar in sommige ketels, blijkbaar van een goedkope prijscategorie, wordt dergelijke bescherming niet geboden.

Als een verwarmingselement in ketels wordt een verwarmer met een temperatuurregelaar gebruikt, het ontwerp van een van hen wordt getoond in figuur 9.

Figuur 9. TEN met een temperatuurregelaar

Een microschakelaar bevindt zich in de plastic doos, die wordt geactiveerd door een vloeistoftemperatuursensor (een directe buis naast de verwarming). De vorm van de kachel zelf kan de meest uiteenlopende zijn, de figuur toont de eenvoudigste. Het hangt allemaal af van het vermogen en het ontwerp van de ketel. De mate van verwarming wordt geregeld door de positie van het mechanische contact, geregeld door een witte ronde handgreep aan de onderkant van de doos. Er zijn ook aansluitingen voor het leveren van elektrische stroom. De kachel is bevestigd met draad.

Natte en droge kachels

Een dergelijke verwarmer staat in direct contact met water, dus deze verwarmer wordt "nat" genoemd. De levensduur van een "nat" verwarmingselement is binnen 2 ... 5 jaar, waarna het moet worden vervangen. Over het algemeen is de levensduur kort.

Om de levensduur van het verwarmingselement en de gehele ketel als geheel te verlengen, ontwikkelde het Franse bedrijf Atlantic in de jaren 90 van de vorige eeuw het ontwerp van een "droog" verwarmingselement. Simpel gezegd, de kachel was verborgen in een metalen beschermende kolf die direct contact met water uitsluit: het verwarmingselement wordt in de kolf verwarmd, die warmte op het water overbrengt.

Natuurlijk is de temperatuur van de kolf veel lager dan het verwarmingselement zelf; daarom is de vorming van kalk met dezelfde waterhardheid niet zo intens, er wordt meer warmte overgedragen aan het water. De levensduur van dergelijke kachels bereikt 10 ... 15 jaar. Dit geldt voor goede bedrijfsomstandigheden, met name de stabiliteit van de voedingsspanning. Maar zelfs in goede omstandigheden produceren "droge" verwarmingselementen ook hun eigen hulpbronnen en deze moeten worden vervangen.

Hier wordt nog een voordeel van de "droge" verwarmingselementtechnologie onthuld: bij het vervangen van de verwarmer is het niet nodig om het water uit de ketel af te tappen, waarvoor het van de pijpleiding moet worden losgekoppeld. Draai gewoon de kachel uit en vervang deze door een nieuwe.

Atlantic patenteerde natuurlijk zijn uitvinding, waarna het de licentie begon te verkopen aan andere bedrijven. Momenteel produceren andere bedrijven, bijvoorbeeld Electrolux en Gorenje, ook ketels met een "droog" verwarmingselement. Het ontwerp van de ketel met een "droog" verwarmingselement is weergegeven in figuur 10.

Figuur 10. Boiler met een "droge" verwarming

Trouwens, de figuur toont een ketel met een keramische steatietverwarmer. De inrichting van een dergelijke verwarmer wordt getoond in figuur 11.

Figuur 11. Keramische verwarming

Op de keramische basis is een conventionele open spiraal van draad met hoge weerstand bevestigd. De verwarmingstemperatuur van de spiraal bereikt 800 graden en wordt door convectie en warmtestraling overgedragen naar de omgeving (lucht onder een beschermend omhulsel). Vanzelfsprekend kan een dergelijke verwarmer zoals toegepast op ketels alleen werken in een beschermende schaal, in lucht, is direct contact met water eenvoudig uitgesloten.

De spiraal kan in verschillende secties worden gewikkeld, zoals blijkt uit de aanwezigheid van verschillende aansluitklemmen. Hiermee kunt u het vermogen van de kachel wijzigen. Het maximale specifieke vermogen van dergelijke verwarmers is niet hoger dan 9 W / cm².

De voorwaarde voor de normale werking van een dergelijke verwarmer is de afwezigheid van mechanische belastingen, bochten en trillingen. Het oppervlak mag niet worden vervuild door roest of olievlekken. En natuurlijk, hoe stabieler de voedingsspanning, zonder pieken en dalen, hoe duurzamer de verwarming.

Maar elektrische technologie staat niet stil. De technologieën ontwikkelen zich en verbeteren daarom, naast de verwarmingselementen, momenteel een breed scala aan verwarmingselementen die met succes worden ontwikkeld. Dit zijn keramische verwarmingselementen, koolstof-verwarmingselementen, infrarood-verwarmingselementen, maar dit zal het onderwerp zijn voor een ander artikel.

Vervolg van het artikel:Moderne verwarmingselementen