§ 69. Электронагревательные и отопительные приборы

Общие сведения

Получение теплоты за счет электрической энергии осуществляется в электронагревательных устройствах. Тепловая энергия необходима для отопления помещений, кондиционирования воздуха и очистки его от вредных примесей, приготовления пищи, кипячения воды, а также для обеспечения теплового режима судовых устройств. Электронагре­вательные установки имеют значительные преимущества по сравнению с другими нагревательными приборами. Отсутствие продуктов горе­ния, неизбежных в обычных тепловых установках со сжиганием топли­ва, уменьшает степень загрязненности окружающей среды. В эксплуа­тации электронагревательные установки высоконадежны и долговеч­ны. При небольших габаритных размерах они обладают большой меха­нической прочностью и безопасностью пользования в условиях повы­шенной тряски и вибрации, обеспечивают возможность регулирования температуры. Быстрота замены вышедших из строя нагревательных элементов позволяет легко выполнять ремонт. Несложная конструк­ция и простота регулирования работы элементов гарантируют широкое внедрение автоматизации температурных режимов установок. Электро­нагревательные установки работают бесшумно и способствуют созда­нию комфорта в судовых условиях.

По принципу действия электрические нагревательные элементы де­лятся на проводниковые, электродные и радиационного нагрева.

Проводниковые нагревательные элементы, применяемые на судах, выполняют спиральными, пластинчатыми и трубчатыми. Материалом нагревательных элементов служат проводники из сплавов с большим удельным сопротивлением, которые должны иметь высокую темпера­туру плавления, достаточную механическую прочность при нагреве, малую окисляемость на воздухе, малый температурный коэффициент сопротивления. Указанными свойствами обладают хромоникелевые сплавы Х15Н60, Х25Н12, называемые нихромами, или фехрали (железохромоалюминиевые) с удельным сопротивлением, равным 1,2 · 10 Ом·м. Спиральные элементы представляют собой спираль, на­витую из нихромовой проволоки, на которую в качестве изоляции нани­заны керамические (фарфоровые) бусы. Пластинчатые элементы со­стоят из жаростойких пластин (слюда, миканит), на которые уложена лента из нихрома. Нагревательные элементы трубчатого типа представляют собой металлическую трубку, в центре которой вдоль оси распо­ложена спираль из нихромовой проволоки.

Электронагревательные элементы электродного типа используют для получения горячей воды и пара в значительных количествах. Нагрев воды осуществляется за счет протекания электрического тока между электродами в нагреваемой воде. Удельное электрическое сопротив­ление речной воды в зависимости от наличия примесей в ней колеблется в пределах 50 - 250 Ом·м. Дистиллированная вода имеет удельное со­противление 600 Ом·м. Электронагревательные устройства (котлы) электродного типа бывают значительной мощности. Так, например, ко­тел вместимостью 1,5 м имеет мощность 200 кВт. Устройства электрод­ного типа используют только на переменном токе, так как при постоян­ном токе может происходить электролитическое разложение воды с об­разованием гремучей смеси.

В качестве электронагревательных элементов радиационного нагре­ва используют зеркальные лампы накаливания (термоизлучатели), а также отражательные излучатели. Зеркальные лампы представляют со­бой газонаполненные лампы накаливания с вольфрамовой нитью в ви­де спирали (инфракрасные лампы). Часть баллона лампы имеет зер­кальное покрытие для концентрации тепловых лучей в нужном направ­лении.

В судовых электронагревательных устройствах преимущественное распространение получили трубчатые электронагреватели (ТЭНы), конструкция которых показана на рис. 2.138. По центру стальной или латунной трубки 1 диаметром 12 мм прочно фиксируется спираль 4 сильно спрессованным наполнителем 3, который обладает электроизо­ляционными свойствами и хорошей теплопроводностью. Подключение спирали ТЭНа к электрической сети осуществляется с помощью при­соединенных к ее концам металлических контактных стержней 2, вы­веденных наружу через герметизирующие уплотнения 5. Нагреватель­ные спирали изготавливают из нихромовой или константановой прово­локи диаметром 0,2 - 2,0 мм. В качестве наполнителя применяют квар­цевый песок или кристаллическую окись магния - периклаз. Так как наполнитель отделяет спираль от теплоотдающей металлической труб­ки, его теплопроводность должна быть хорошей при высоких диэлект­рических свойствах. Свои физико-химические и электрические свой­ства наполнитель должен сохранять при многократных нагревах до температуры 500 - 800 °С. При высокой стойкости к резким сменам температур наполнитель должен иметь возможно малую гигроскопич­ность и достаточную влагонепроницаемость. Всеми этими свойствами в значительной степени обладает периклаз.

Рис. 2.138. Конструкция трубчатого электронагревателя

ТЭНы имеют следующие преимущества:

- токопроводящая спираль не подвергается разрушающему действию воздуха и влаги, а наполнитель не оказывает вредного воздействия, в результате чего значительно увеличивается срок службы элементов;

- наружная металлическая трубка надежно защищает спираль от механических повреждений;

- хорошая теплопроводность наполнителя создает условия для ин­тенсивной отдачи теплоты от спирали к металлической трубке, имеющей большую площадь поверхности для отвода теплоты. Поэтому спираль в ТЭНе работает в менее напряженном режиме, чем открытая.

Трубчатые электронагреватели классифицируют по напряжению и мощности, а также в зависимости от формы и конфигурации элемента по типу. Элементы выпускают на номинальные напряжения 24, 55, 110. 127 и 220 В. Номинальную мощность указывают с учетом типа и ус­ловий эксплуатации. Например: обдуваемые, погруженные в воду и др.

Судовые электронагревательные приборы

Судовые электрифицированные камбузы оборудованы разнообраз­ными электронагревательными приборами: электрическими плитами, электродуховками, пищевыми котлами, тепловыми шкафами для гото­вых блюд, кипятильниками и другими электронагревательными уст­ройствами. Наиболее крупными потребителями электрической энер­гии на камбузе являются электрические плиты для приготовления пи­щи. Электронагрев осуществляется при помощи трубчатых электрона­гревателей, вмонтированных в нагревательные конфорки литой или открытой конструкции. В литых конфорках трубчатые электронагре­ватели после придания им соответствующей конфигурации заливают в металл, в результате получают плоские отливки толщиной 25 мм. Та­кие конструкции имеют простой монтаж на плите и удобны в эксплуа­тации. В открытых конфорках трубчатые электронагреватели сплющи­вают в форму, близкую к треугольному сечению. Рабочая поверхность плоская, но излучающая поверхность меньше, чем у литых конфорок, поэтому температура нагрева повышается. Независимо от конструктив­ной формы нагревательные конфорки одного и того же типоразмера взаимозаменяемы. Электрические плиты имеют, кроме конфорок, пи­щеварительные баки и духовки. Духовка плиты представляет собой двухсменную теплоизолированную камеру. Режим работы электропли­ты регулируют пакетными переключателями (рис. 2.139) , установлен­ными на щите управления. Внутренний монтаж плит выполнен мед­ным проводом. Изолирован провод фарфоровыми чешуйчатыми бусами.

Рис. 2.139. Схема управления электроплитой.

Количество теплоты, отдаваемой электронагревательными элемен­тами,

Q = ,

где I - ток, проходящий по элементу, А;

R - сопротивление элемента, Ом;

t - время работы нагревательного элемента, с.

Электрическое сопротивление элемента изменяется в зависимости от его температуры:

,

где R - сопротивление элемента при температуре ;

R - сопротивление элемента при температуре ;

α - температурный коэффициент сопротивления.

При включении нагревательных приборов в электрическую сеть сопротивление их элементов меньше по сравнению с нагретым состоянием. По этой причине ток включения приборов гораздо больше номинального.

Для выбора электронагревательного элемента необходимо знать: тип элемента в зависимости от формы и конфигурации устройства; рабочую среду - по условиям работы нагревательного устройства; мощность элемента; номинальное напряжение.

В зависимости от указанных характеристик выполнена унификация тепловых элементов, выпускаемых электротехнической промышленностью.

Расчет электронагревательных устройств сводится к определению электрической мощности устройства по заданной его производительно­сти. В результате расчета определяют количество необходимых нагре­вательных элементов и их схемы включения.

Расчет подогревателей жидкости периодического действия ведется в такой последовательности:

1. Определяют требуемое количество теплоты:

Q ,

где m - масса жидкости, кг;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг · К);

- температура горячей жидкости, ºС;

- температура холодной жидкости, ºС.

2. Рассчитывают мощность нагревательного устройства:

,

где t - время нагрева жидкости до температуры , с;

η - к.п.д. нагревательного устройства.

3. Устанавливают форму и количество нагревательных элементов в зависимости от типа устройства.

Число элементов определяют с учетом питающей сети: если сеть трехфазная, число элементов должно быть кратным трем. Число эле­ментов в устройстве, а следовательно, и мощность каждого из них зависят от схемы их соединения и условий размещения. Изменение мощности в соотношении 1/0,5/0,25 достигается при двух трубчатых электронагревателях одинаковой мощности. Параллельное соединение обо­их элементов дает максимальную мощность, отключение одного эле­мента - половину, а последовательное включение двух элементов - четверть мощности.

Правильность выполненного расчета и выбора элементов проверя­ют по предельной температуре нагрева поверхности элемента, указан­ной в техническом паспорте.

Так, например, ТЭНы кипятильников и водогрейных котлов, выполненные из медных трубок, покрытых пищевым оловом, имеют температуру нагрева 110 - 120 ºС. В обычных условиях эксплуатации их удельная мощность составляет 10 - 15 Вт/см . В спокойном воздухе удельная мощность на активной поверхности такого ТЭНа равна 1,5 Вт/см , трубка нагревается до 350 ºС. Приведенный пример показывает, что изменение условий работы теплового элемента не допускает­ся, иначе элемент не выполняет своих функций или перегорает.

Широкое применение на судах имеют электрокипятильники (рис. 2.140, а). Вода из водопровода поступает в питательный бачок 5 и по соединительной трубе 4 - в камеру нагрева 2, где установлены ТЭНы 1. Здесь вода доводится до кипения и по трубе 6 поступает в сборник кипятка 3. Уровни воды в питательном бачке и трубе кипятка оди­наковы, так как бачок и труба являются сообщающимися сосудами. Уровень воды, установленный в питательном бачке, удерживается ав­томатически поплавковым клапаном 7.

В стенках камеры нагрева и сборника кипятка вмонтированы реле уровня 8, 9, 10. Включение кипятильника осуществляется пакетным переключателем. В первом положении переключателя контактор вклю­чает ТЭНы в сеть.

Рис. 2.140. Устройство электрокипятильника.

Это позволяет проверить готовность кипятильника к работе, а также использовать кипятильник для разового приготовления воды. Второе положение переключателя переводит схему в автоматический режим (рис. 2.140, б). Катушка контактора К1 получит питание после того, как включится реле уровня К3 и замкнется его замыкающий контакт К3.1. Это произойдет тогда, когда уровень воды в камере нагрева достигнет электрода 10 и замкнется контакт Е10. При наполнении кипятком сборника 3 (см. рис. 2.140, а) до предельно до­пустимого уровня, т. е. когда уровень достигнет электрода 8, (см. рис. 2.140, б), замыкаются контакт Е8 и цепь реле уровня К2. Последнее, разомкнув контакт К2.1 в цепи катушки контактора К1, обеспечит вы­ключение ТЭНов. При расходе кипяченой воды из сборника снижает­ся ее уровень и оголяется электрод S, а затем 9. После этого размыка­ется контакт Е9, катушка реле К2 обесточивается, контакты К2.1 в цепи катушки контактора К1 замыкаются, и контакты К1.1 включают ТЭНы в работу. При кипении воды сборник кипятка наполняется, и таким образом, процесс повторяется.

На посту управления электрокипятильником имеется световая сигнализация: желтая лампочка H1 сигнализирует о том, что кипятиль­ник включен и идет процесс нагрева воды; красная лампочка Н2 пре­дупреждает о недопустимом снижении уровня воды в камере нагрева; зеленая лампочка Н3 указывает на наличие кипяченой воды в сборнике.

В судовом оборудовании находят применение подогреватели жидкостей. Чаще всего подогреватели предназначаются для нагрева воды, нефтепродуктов и технических масел. В зависимости от принципа дей­ствия электронагреватели могут быть периодического действия, в ко­торых жидкость неподвижна, а нагрев ее идет за счет конвективной передачи теплоты от нагревательных элементов, и непрерывного (про­точного) действия. В подогревате­лях периодического действия трубчатые электронагреватели распо­ложены в нижней части резервуара. Подогреватели непрерывного действия обычно изготовлены в виде цилиндра, с торцов которого на фланце устанавливаются трубчатые элементы. Жидкость прока­чивается через подогреватель и, омывая элементы, нагревается. Объем подогревателя должен обес­печивать свободную циркуляцию подогреваемой жидкости. Электрическая схема подогревателя пока­зана на рис. 2.141.

Рис. 2.141. Электрическая схема подогревателя жидкости.

Перегрев жидко­сти выше допустимого предела ограничивается температурным ре­ле Е. Питание на катушку контак­тора К1 подается через контакты промежуточного реле К2. Катушка промежуточного реле включена последовательно с контактом температурного реле Е, который зам­кнут при температуре жидкости в резервуаре ниже установленного предела.

В судовом оборудовании для обогрева и высушивания аппаратов и машин применяются электроконвекторы и электрорадиаторы. Пере­носные электроконвекторы (электрокалориферы) предназначены для просушки электрических установок (кабельных сетей, распределитель­ных устройств, обмоток электрических машин и трансформаторов) обдувом теплым воздухом. Основными элементами электроконвекто­ра являются трубчатые электронагреватели и электровентилятор, смон­тированные в одном корпусе и закрытые съемным кожухом. Нагретый воздух к объекту высушивания подается по гибкому шлангу. На кор­пусе электроконвектора установлен пакетный выключатель. Трубча­тые электронагреватели защищены плавким предохранителем, находя­щимся внутри корпуса. При перегреве воздуха в электроконвекторе в случае остановки электровентилятора плавкий предохранитель пла­вится и отключает сеть.

Электрорадиаторы для просушки обмоток электрических машин представляют собой ряд трубчатых электронагревателей, изогнутых по внутреннему радиусу статора электродвигателя.

На некоторых сериях современных судов помещения отапливаются электрической энергией. Для этой цели используют различного рода электронагревательные устройства: судовые электрорадиаторы, элект­рокамины, воздухонагреватели, электроконвекторы, судовые грелки. Судовые электрорадиаторы по конструктивному исполнению представ­ляют собой батарею трубчатых нагревательных элементов (ТЭНов) в закрытом металлическом кожухе. Переносные электрорадиаторы под­ключают к сети шланговым проводом через разъемное контактное сое­динение. Разъемные контактные соединения имеют устройства, которые препятствуют самопроизвольному выпадению вилочной части электрического соединения. Вилочная часть электрического соединения трехконтактная, один контакт предназначен для заземления, т.е. соединения корпуса электрорадиатора с корпусом судна. Технические характеристики судовых грелок даны в табл. 24.

Таблица 24

Для обогрева пожароопасных и взрывоопасных помещений исполь­зуют электрорадиаторы КГ1 или КГ2 взрывозащищенного исполнения. Конструкция электрорадиатора состоит из трубчатых электронагрева­телей V - образной формы, на которых крепят тонкие стальные пласти­ны - ребра. Концы нагревательных элементов и кабеля подключения электрорадиатора к сети вмонтированы в коробку выводов с сальника­ми.

По Правилам Регистра в пожароопасных и взрыво­опасных помещениях допускается применение электронагревательных приборов только стационарного типа. На всех отопительных и нагрева­тельных приборах должны быть предусмотрены отключающие устрой­ства.