7.2. Электронагревательные устройства

Электронагревательные приборы

Электрическая энергия может быть легко преобразована в тепловую. Электрический ток нагревает проводник, через который проходит. На этом принципе работают все нагревательные приборы.    Не имеет смысла подробно описывать устройство отдельных нагревательных приборов, так как даже при весьма скудных знаниях можно разобраться в их конструкции.    Например, утюг. В пазы металлической подошвы уложена спираль, на которую надеты фарфоровые бусы. Сверху располагается пластиковый корпус, с выведенным на него регулируемым резистором. Если по каким-то причинам утюг перестал работать, его следует отключить от сети, разобрать, сменить спираль, и снова собрать прибор.    Принцип работы вышеперечисленных устройств достаточно прост, поэтому с ними редко возникают проблемы. Если по каким-то причинам устройство перестало работать, причина неполадки, как правило, заключается в износе деталей, плохом контакте. Это происходит из-за перегрева корпуса бытового прибора в процессе эксплуатации.    В пример можно привести обогреватель. В большинстве случаев металлический корпус нагревается при работе. С внутренней стороны корпуса к нему крепится терминал из пластика. С течением времени пластик разрушается, при этом размыкаются контакты. Бывает и так, что при перемещении прибора с места на место электрический провод соприкасается с корпусом, из-за чего сгорает изоляция и происходит короткое замыкание.    Электронагревательные устройства могут быть опасными. Например, электрическая плитка. В пазах керамического основания подставки располагается спираль. Во время приготовления пищи на плитку может быть пролита вода, молоко и т. д. Это сокращает срок службы спирали, а в некоторых случаях является причиной удара электричеством.    Однако в последнее время такие устройства, как электрическая плитка с открытой спиралью, практически не применяются. В большинстве случаев нагревательный элемент тэновый, это защищает спираль от нежелательных контактов.    Бытовые приборы выпускаются в соответствии с принятыми стандартами безопасности. Все чаще применяются тентовые спирали, закрытые корпуса, некоторые приборы выпускаются с заземлением.

В чем отличие тэновых спиралей от обычных

Нагревательные элементы могут иметь самые разные конструкции, но все их можно разделить на две группы: тэновые и обычные. Тэн расшифровывается как «трубчатый электронагреватель».    Обычные нагревательные элементы представляют собой спираль или набор металлических пластин, имеющих соответствующее сопротивление. В обогревательных приборах, плитках, утюгах это, как правило, спираль, которая устанавливается в специальный диэлектрический корпус: стеклянную трубку, керамическую подставку или просто находится в подвешенном состоянии, например в калорифере или фене.    Тэновые нагревательные элементы хотя и работают по тому же принципу, но имеют немного другое устройство. Металл, который выступает в качестве сопротивления, находится в оболочке соответствующего диэлектрика, хорошо проводящего тепло, все это находится в металлической трубке, имеющей, как правило, специальное покрытие.    Наглядным примером тэнового нагревательного элемента является кипятильник. Также тэновые нагревательные элементы устанавливаются в чайниках, утюгах.    Преимущество обычных нагревательных элементов перед тэновыми в том, что в случае повреждения их легче заменить. Если тэновый нагревательный элемент испортился, то можно считать все устройство негодным. Как правило, оказывается, что стоимость нагревательного элемента составляет большую часть стоимости самого прибора, поэтому легче купить новый, чем ремонтировать старый.

Чем опасны «козел» и самодельный кипятильник

Как правило, многие в армии или в студенческие годы узнают различные способы «кустарного» применения электрической энергии. Такими способами и являются «козел» и самодельный кипятильник. Приведенное ниже описание этих устройств помещено в книге не для того, чтобы вы самостоятельно «экспериментировали» с электричеством, чтобы объяснить, насколько грубо и непрофессионально в таком случае используется электричество и какие неприятные последствия такая изобретательность может повлечь за собой.    Во всех случаях используется тепловое действие электрического тока. Как уже упоминалось, электрическая энергия способна нагревать проводник, по которому проходит. Поэтому, если пустить через соответствующий материал электрический ток, можно добиться теплового эффекта. На этом принципе и работают «козел» и самодельный кипятильник.    «Козел» представляет собой трубу из асбеста, установленную на металлические ножки, которые легко изготовить самостоятельно. Вокруг трубы обернута дверная пружина, к разным концам которой подсоединен двужильный провод. При включении в розетку «козел» сильно нагревается, им можно пользоваться как обогревательным прибором.    «Козел» можно часто встретить на складах, в производственных помещениях, в хозяйственных постройках. Это объясняется тем, что расход энергии там учитывать сложнее, чем в отдельной квартире, поэтому энергоемкости такого устройства просто не придается большого значения. Организация оплачивает расходы по электричеству, так как для большой организации это относительно небольшая сумма.    Другое дело квартира. Включение «козла» очень заметно по работе счетчика электроэнергии, который в таком случае крутится как бешеный. К тому же частенько выбивает пробки, так как самодельное устройство потребляет очень много энергии.    Отрицательным качеством «козла» является то, что он очень пожароопасен. Если бытовой обогревательный прибор имеет корпус, защищающий от возгораний, то «козел» такого корпуса не имеет, и если он опрокинется, что бывает довольно часто из-за пьянства, халатности, – возможен пожар.    Более того, по жизни встречаются такие индивидуумы, которые не понимают, что данный обогревательный прибор опасен, и относятся к нему пренебрежительно, располагая его поблизости от мебели, обоев, пожароопасных материалов.    Другое самодельное устройство – кипятильник. Его можно соорудить с помощью двух лезвий, двух спичек, нитки, выдернутой из одежды, куска провода. Традиция устраивать такие кипятильники пришла к нам из армии и из исправительно-трудовых учреждений.    Лезвия связываются между собой так, чтобы между ними было расстояние (чтобы не касались друг друга). Этого несложно добиться, если положить между ними спички. Потом двужильный провод крепится к лезвиям. Помещенный в воду, такой кипятильник довольно исправно греет воду.    Если собрать кипятильник из более серьезного металла, например, из оконных шпингалетов, получается весьма устрашающая картина: представляете себе кипятильник, из которого бьют искры, во всем доме мигает свет, трехлитровая банка воды вскипает за полторы минуты?    Естественно, что энергоемкость такого кипятильника впечатляет. Особенно опасен кипятильник в том случае, если вода соленая. При включении в сеть моментально раздается взрыв, в результате которого выплескивается большая часть воды. Теперь представьте, что будет, если сыпануть соли в кипящую воду?    Если вам когда-нибудь придется столкнуться с подобными устройствами, лучше откажитесь сразу, так как вы подвергаетесь сразу нескольким опасностям. Во-первых, вы портите государственное имущество, за что предусмотрена соответствующая ответственность по законодательству. Во-вторых, вы рискуете жизнью: вас может ударить током, или обрызгать кипятком. Будьте осторожны, не подвергайте свою жизнь опасности!

Бытовые электронагревательные устройства

Электронагревательные приборы для приготовления пищи.

Данное оборудование включает в себя электроплиты, жароч- ные шкафы и плиты-панели.

Стационарные электроплиты существенно улучшают санитарно-гигиенические условия на кухне из-за отсутствия вредных продуктов неполного сгорания топлива, уменьшают взры- во- и пожаробезопасность. При использовании в электроплите терморегуляторов, термоограничителей и приборов программного управления можно частично автоматизировать процесс приготовления пищи, что экономит время на ведение домашнего хозяйства. Электроплиты — самые энергоемкие потребители электроэнергии: 1200…2300 кВт-ч в год.

В быту применяют электроплиты с чугунными конфорками и жарочным шкафом.

Конфорки состоят из чугунного корпуса, в пазах которого запрессованы нагревательные спирали из нихрома или другого сплава высокого сопротивления. Конфорки крепят к поверхности рабочего стола при помощи хромированных колец или колец из нержавеющей стали, уменьшающих тепловые потери.

Жарочный шкаф представляет собой стальную коробку, обогреваемую при помощи трубчатых электронагревателей. Духовка — одна из разновидностей жарочного шкафа. Мощность нагревателей жарочного шкафа 1800… 2400 Вт (в зависимости от его объема). Мощность нижнего нагревателя несколько больше верхнего, благодаря чему температура внутри шкафа распределяется равномерно. Вместимость жарочных шкафов 0,33…0,6 м3.

Для снижения тепловых потерь шкаф покрыт слом теплоизоляции из минеральной ваты или другого материала, обернутого алюминиевой фольгой. Дверцы жарочного шкафа выполняют двухслойными с теплоизоляцией, проложенной между ними. В дверцу шкафа вмонтировано жароупорное смотровое стекло.

Плиты-панели применяют как элемент кухонной мебели при отсутствии электроплиты (рис. 1).

Электроводонагреватели. Для получения горячей воды применяют индивидуальные водонагреватели, а также электрочайники, электрокофейники, электросамовары и погружные кипятильники. Последние представляют собой ТЭНы в герметичном исполнении, конструктивно изготовленные в виде спирали. Промышленность выпускает погружные кипятильники мощностью 300… 1000 Вт. В электрочайниках, электросамоварах и электрокофейниках современной конструкции ТЭН расположен в нижней части.

Чтобы получить горячую воду для хозяйственных нужд и личной гигиены, применяют стационарные электроводонагреватели, подразделяющиеся на проточные и аккумуляционные (емкостные).

Проточные электроводонагреватели предназначены для нагрева воды при ее непосредственном использовании. Для получения воды с температурой 70 °С и расходом 0,5 л/мин требуется нагреватель мощностью 3 кВт.

Аккумуляционные электроводонагреватели представляют собой прибор, бак которого имеет теплоизоляцию. Благодаря этому при отключении нагревателей температура нагретой воДы за 1 ч снижается не более чем на 0,7 °С. Водонагреватели вместимостью 40… 100 л и мощностью 1250 Вт следует включать в электрическую сеть в ночные часы. Аккумуляционные водонагреватели низкого давления (табл. 56) монтируют на несущих стенах дома. Аккумуляционный водонагреватель ЭВАН-100/1,25 показан на рисунке 50. Его присоединяют к водопроводной сети через штуцер. На подводящей водопроводной трубе перед штуцером устанавливают проходной и обратный проходной клапаны.

Электроводонагреватель монтируют в соответствии с инструкцией. Зажим заземления на корпусе нагревателя присоединяют к защитному нулевому проводу электрической сети. Запрещается эксплуатировать прибор без подключения к его корпусу защитного зануления (заземления).

При правильной эксплуатации потребление электроэнергии водонагревателем пропорционально расходу горячей воды. Для получения 10 л воды.температурой 85 °С необходимо около 1 кВт-ч электроэнергии, на приготовление ванны — 6…8 кВт-ч, для принятия душа — 1,5…2,5 кВт-ч. Семья из 3…4 человек, пользующаяся водонагревателем, в среднем расходует 3000 кВт-ч электроэнергии в год.

Рис. 1. Плита-панель «Нева-320» типа ЭБТ-6-3-3,8/220: 1 — корпус; 2 — конфорка; 3 — переключатель режима работы

Электроотопительные устройства и системы. Жилые дома обогревают двумя способами: при первом вся потребность в тепловой энергии полностью покрывается за счет электроэнергии, при втором электроотопительные приборы (электродоводчики) небольшой мощности включают дополнительно к традиционной системе отопления. По способу потребления и отдачи теплоты электроотопительные приборы разделяют: на приборы непосредственного действия (электрорадиаторы, камины, конвекторы и т. п.) — теплота сразу же поступает в помещение и приборы с аккумуляцией теплоты (теплоаккумуляционные печи, греющие кабели) — электроэнергия потребляется в ночные часы, расходуется запасенная теплота в течение длительного времени после отключения прибора от сети. Годовой расход электроэнергии на полное отопление одного дома (общей площадью 60… 100 м2) составляет в среднем 16 000 кВт-ч и колеблется от 6000 в южных районах до 36 000 кВт-ч/год в северных.

Рис. 2. Аккумуляционный электроводонагреватель типа ЭВАН (а) и его электрическая схема включения (б): 1 — рабочий бак; 2 — наружный кожух; 3 — слой теплоизоляции; 4 — труба смесителя; 5 — терморегулятор; 6 — смеситель; 7 — вход холодной воды; 8 — сигнальная лампочка; 9 — соединительный шнур; 10 — ручка терморегулятора; 11 — нагреватель (ТЭН); 12 — труба для слива горячей воды; 13 — душевая сетка; 14 — электрический счетчик; 15 — провод зануления; 16 — выключатель; 17 — учетно-распределительный щиток

Электроконвекторы относятся к обогревателям, теплоотдача у которых осуществляется преимущественно естественной конвекцией. Наиболее распространена напольно-на- стольная модель. Для стационарной установки применяют плинтусные конвекторы, выполненные в виде полос с размещенными внутри нагревательными элементами. Конструктивно электроконвекторы состоят из металлического корпуса, внутри которого расположены нагревательные элементы. Температура нагревательных элементов 600…900 °С для открытой спирали и 450…500 °С для ТЭНов. Нерегулируемые конвекторы имеют нагреватели мощностью до 0,8 кВт, регулируемые — мощностью до 2 кВт. Один из параметров, гарантирующий безопасную работу конвектора, — температура выходящего воздуха, которая не должна превышать температуру окружающего воздуха более чем на 85 °С, а температуру корпуса — -более чем на 75 °С. Мощность регулируют вручную переключателем или отдельными выключателями. Несколько нагревательных элементов при помощи переключателя включают аналогично ступенчатому переключению мощности конфорок электроплит.

Электротепловентиляторы — это электроконвектор с теп-

Рис. 3. Электрорадиатор-камин (а) типа ЭРК-1,0/220 и способы (б) его установки: 1 — корпус; 2 — крышка; 3 к 12 — винты; 4 — втулка; 5 — ручка; 6 — панель; 7 — шнур; 8 — ножка; 9 — рефлектор; 10 — стойка; 11 — поворотный экран; 13 — клавишный выключатель; 14 — сигнальная лампочка; 15 — термовыключатель; 16 — ручка режима работы; 17 — защитная решетка; 18 — блокировочный выключатель; 1 — на стене; 11 — на полу вертикально; III — на полу горизонтально

лоотдачей вынужденной конвекцией (встроенным вентилятором). Особенность электротепловентилятора заключается в том, что его можно использовать для местного направленного обогрева помещения. Нагревательными элементами служат открытая спираль, спираль в бусах и ТЭНы. Элект- ротепловентиляторы имеют не менее двух ступеней регулирования мощности и две скорости вращения (табл. 58). Работа нагревательных элементов в режиме вынужденного воздушного охлаждения повышает требования к защите прибора от аварийных режимов, без охлаждения. Для этого включение нагревательных элементов сблокировано с включением вентилятора. Для защиты прибора в цепи нагревательных элементов предусмотрен термоограничитель. Электротепловентиляторы, снабженные терморегулятором, можно применять для полного отопления помещений.

Электрорадиаторы — устройства, у которых температура поверхности корпуса находится в пределах норм, установленных для приборов центрального водяного отопления (максимальная не выше 110°С, а средняя 85…95°С). По конструкции электрорадиаторы бывают с промежуточным теплоносителем и без него. К последним относят греющие панели, обои. Приборы с промежуточным теплоносителем — инерционные. Их герметичный корпус, в нижней части которого расположен нагревательный элемент, заполнен теплоносителем, обычно минеральным маслом. Электрорадиаторы могут иметь термоограничитель, регулятор мощности или терморегулятор. Выносной терморегулятор позволяет автоматически поддерживать в помещении заданную температуру 10…30 °С. Сухие электрорадиаторы без промежуточного теплоносителя представляют собой корпус с оребрением, в котором равномерно по всему объему распределен нагревательный элемент. Их выпускают в настенном и напольном вариантах. Мощность регулируют так же, как в масляных приборах.

Для экономичной и безопасной работы приборов отопления необходима их правильная эксплуатация. Приборы электроотопления можно устанавливать на полу и подвешивать на стене для обогрева ванных комнат и коридоров. Электроконвектор и электрорадиаторы целесообразно размещать под окном или у холодной стены. Верхняя решетка прибора должна находиться не ближе чем на 200 мм от ограждения. При работе приборов отопления уменьшается относительная влажность воздуха, поэтому полезны различные способы его увлажнения.

Устройства с аккумуляцией теплоты имеют установленную мощность, в несколько раз большую, чем приборы непосредственного действия. Для снижения мощности квартирного ввода и затрат на внутридомовые сети целесообразно применять аккумуляционные системы с дополнительной подзарядкой в часы дневного спада нагрузки. В каждом из помещений устанавливают отопительный прибор мощностью 2…3 кВт, позволяющий восполнить теплопотери. Продолжительность и степень зарядки прибора регулируются блоком автоматики в зависимости от наружных условий.

Рис. 4. Аккумуляционная система ЭТАСО-1 (а) отопления жилого дома и схема (б) теплоаккумуляционного модуля (электропечь)

При уменьшении температуры ниже заданной включается встроенный электровентилятор, который, подавая подогретый в приборе воздух, повышает температуру в помещении до заданной.

Бытовая электрическая аккумуляционная система отопления ЭТАСО-1, предназначенная для основного отопления одноквартирных жилых домов, состоит из комплекта электрических аккумуляционных печей, электронных регуляторов температуры и щита управления (рис. 4).

Максимальная мощность системы 50 кВт. Напряжение трехфазного тока 380/220 В. Включается система в ночные часы минимальных электрических нагрузок, когда действует льготный тариф на оплату потребленной электроэнергии (1 коп. за 1 кВт-ч).

Теплота, запасенная в аккумулирующем ядре электропечи в ночное время, используется для отопления в течение всего дня. Печи снабжены встроенным вентилятором, который, подавая в помещение подогретый воздух, обеспечивает там постоянный тепловой комфорт.

Для отопления помещений площадью 10 м2 необходима электропечь мощностью 3 кВт. Диапазон изменения комнатной температуры регулятора 5…20 °С, точность уставки 2,5 °С, чувствительность ± 1 °С. Напряжение питания регулятора температуры и вентилятора электропечи 220 В.

Шит управления обеспечивает включение электропечей в 23 ч и отключение в 6 ч, зарядку электропечей в зависимости от температуры воздуха снаружи, учет потребляемой электроэнергии.