Как работает ТЭН (нагревательный элемент): устройство и принцип действия
ТЭН (трубчатый электронагревательный элемент) это устройство, которое преобразует электрическую энергию в тепловую за счёт резистивного нагрева. Внутри металлической трубки проходит спираль из высокоомного сплава; при прохождении тока спираль раскаляется и передаёт тепло через диэлектрический наполнитель на стенки трубки, а от них: в нагреваемую среду. ТЭНы применяются повсеместно: в водонагревателях, стиральных и посудомоечных машинах, электрических духовках, масляных обогревателях и промышленном оборудовании.
Конструкция ТЭНа
Основу элемента составляют три компонента. Оболочка: металлическая трубка из нержавеющей стали, меди, латуни или стали с оцинковкой: выбор материала зависит от среды нагрева (вода, масло, воздух, агрессивные жидкости). Нагревательная спираль: тонкая проволока из нихрома (сплав никеля и хрома) или фехраля (сплав железа, хрома, алюминия) с высоким удельным электрическим сопротивлением. Диэлектрический наполнитель: периклаз (оксид магния в порошке или прессованных гранулах) заполняет пространство между спиралью и трубкой. Он отлично проводит тепло, но не проводит электрический ток, обеспечивая электрическую изоляцию и механическую защиту спирали. На концах трубки установлены контактные стержни, выходящие наружу для подключения к сети.
Принцип работы: этапы нагрева
Работа ТЭНа проходит несколько этапов. Первый: ток из сети подаётся на контактные стержни и проходит через нагревательную спираль. Второй: спираль обладает высоким сопротивлением, поэтому согласно закону Джоуля-Ленца выделяется тепловая мощность P = I² × R. Для типичного бытового ТЭНа мощностью 1,5–3 кВт при напряжении 220 В сила тока составляет 7–14 А. Третий: тепло от раскалённой спирали передаётся через периклаз к стенкам трубки. Оксид магния обеспечивает теплопроводность около 30 Вт/(м·К). Четвёртый: нагретые стенки трубки отдают тепло в окружающую среду: воде, маслу или воздуху. В водонагревателях это происходит через конвекцию: нагретая вода поднимается вверх, холодная опускается вниз.
Типы ТЭНов и причины выхода из строя
Влажные ТЭНы (мокрые) погружаются непосредственно в воду или жидкость и отличаются высокой теплопередачей. Сухие ТЭНы изолированы от нагреваемой среды кожухом или трубой и применяются в стиральных машинах нового поколения и парогенераторах. Основная причина выхода из строя: накипь. Слой карбоната кальция толщиной 1 мм снижает теплоотдачу примерно на 10%, из-за чего спираль перегревается и перегорает. Именно поэтому рекомендуется регулярно удалять накипь с помощью лимонной кислоты или специализированных средств. Второй частой причиной является гидроудар: резкий скачок давления при включении холодной воды в горячий элемент.
