Тру́бчастий електронагрівни́к (ТЕН) — електричний нагрівник опору, що складається з нагрівального елементу з контактними стрижнями на кінцях, найчастіше запресованого разом з електроізоляційним наповнювачем в металеву оболонку.
Загальне ТЕН було винайдено і запатентовано у США (Вашингтон, округ Колумбія) 20 вересня 1859 року Джорджом Б. СімпсономПатент США № 25532 від 20 вересня 1859. Electrical heating apparatus. Опис патенту на сайті Бюро по реєстрації патентів і торгових марок США..
Трубчастий електронагрівник, зазвичай, виготовляється у вигляді металевої трубки, заповненої теплопровідним електричним ізолятором (наповнювачем). Точно по центру ізолятора розташовано нагрівальний елемент у вигляді струмопровідної ніхромової нитки певного електричного опору, для перетворення електричної енергії на теплову, яка передається на поверхню нагрівача.
У продажу наявні також трубчасті електронагрівники з керамічними оболонками, наприклад для інфрачервоних саун, та з трубками із кварцового скла тощо.
Терміни та визначення
Нагрівальний елемент — металевий провідник зі сплаву, з високим питомим опором. Наповнювач — ущільнений ізолювальний матеріал, що оточує електронагрівний елемент. Герметизація торців — заповнення торців ТЕНа матеріалом, котрий забезпечує захист наповнювача від впливу на нього вологи. Контактний стрижень — струмопровідна металева деталь, яка слугує для приєднання ТЕНа до мережі живлення. Активна довжина — частина ТЕНа, у якій розташовується нагрівальний елемент. Активна поверхня — поверхня ТЕНа на його активній довжині. Розгорнута довжина — сума довжин прямолінійних та вигнутих ділянок ТЕНа. Питома поверхнева потужність ТЕН — потужність, що припадає на 1 см² активної поверхні. Опір ізоляції ТЕН — електричний опір ізоляційного матеріалу, виміряний між струмопровідними частинами і металевою оболонкою. Робоча температура — температура на активній частині оболонки ТЕНа, яка виникає при експлуатації в умовах нормальної тепловіддачі за нормальних напруг. Холодний стан ТЕН — термічний стан, при якому температура довільної частини ТЕНа відрізняється не більше ніж на 3° від температури навколишнього середовища. Гарячий (робочий) стан ТЕН — стан ТЕНа при встановленому режимі в умовах нормальної тепловіддачі. Номінальна потужність споживання ТЕН — потужність, що споживається ТЕНом в умовах нормальної тепловіддачі при робочій температурі, що вказана виробником на виробі.
Використання ТЕНи використовуються як комплектуючі у промислових та побутових приладах та установках і служать для нагрівання: повітря та інших газів та їх сумішей; води і слабких розчинів кислот та лугів; жирів та олив; пресформ; легкоплавких металів та сплавів; селітри при плавленні.
Трубчасті електронагрівачі, порівняно з іншими типами нагрівачів, вирізняються: можливістю їх застосовувати при безпосередньому дотику з середовищами нагрівання газоподібними та рідкими при тиску до 9,8·105 Па, а також твердими; надійністю при вібраціях та значних ударних навантаженнях; різноманітною геометричною конфігурацією; відсутністю електричної напруги на оболонці ТЕНа (за винятком одно-кінцевих ТЕНів з напругою 36 В, що мають струмопровідну оболонку).
Експлуатація ТЕНів у тому чи іншому середовищі обмежується хімічною стійкістю оболонки і гранично допустимою температурою. ТЕНи не призначені для роботи у вакуумі і не є вибухобезпечними. Вибухобезпечність устаткування з використанням ТЕНів забезпечується конструкцією самої установки (системи) і визначається проєктними організаціями, які несуть відповідальність за безпеку запроєктованих установок.
Технічні показники трубчастих наповнених електронагрівників Основні параметри промислових трубчастих електронагрівників промислового призначення. Як наповнювач використовується кристалічний оксид магнію (периклаз). Оболонками слугують електрозварні або суцільнотягнуті трубки зі сталі марок сталь 10 і 12Х18Н10Т, труби з міді, латуні та алюмінієвих сплавів. Діаметр оболонки обирають з ряду 6,5; 8; 8,5; 9,5; 10; 13 або 16 мм. Одинична потужність може становити від 0,1 до 25 кВт. Напруга живлення може бути 12, 24, 36, 42, 48, 60, 127, 220 або 380 В. Максимальна температура нагрівання 750 °C. Найбільша розгорнута довжина 250—6300 мм.
Технічні характеристики ТЕН побутового призначення регламентуються ГОСТ 19108-81.
Структура умовного позначення ТЕН загальнопромислового призначення маркується за шаблоном: ТЕН-XXX/XXX УХЛ4 ГОСТ 13268-88:
ТЕН — трубчастий електронагрівник; Х — розгорнута довжина ТЕНа по оболонці L, см; Х — довжина контактного стрижня Lк, мм або умовна познака, наприклад, A (для 40 мм), B (для 60 мм) і т. д. аж до H (для 630 мм); Х — номінальний діаметр ТЕНа, мм; / — роздільник; Х — номінальна потужність, кВт; Х — середовище нагрівання і матеріал оболонки ТЕНа (за ГОСТ 13268); Х — номінальна напруга, В; УХЛ4 — кліматичне виконання і категорія розташування за ГОСТ 15150-69.
Приклад: ТЕН-100A13/3,5J220 УХЛ4 ГОСТ 13268-88 означає ТЕН з розгорнутою довжиною 1000 мм, з контактним стрижнем завдовжки 40 мм, діаметром 13 мм, номінальною потужністю 3,5 кВт, для води, на номінальну напругу 220 В.
Характерні випадки застосування ТЕН і питомі поверхневі потужності залежно від умов експлуатації та матеріал оболонки наведені у таблиці: Умовні познаки середовища нагрівання за ГОСТ 12368-88 Умовна познакасередовища нагріванняСередовище нагріванняХарактер нагріванняПитома потужністьВт/см², не більшеМатеріал оболонкиТЕНXВода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 9)Нагрівання, кип'ятіння з максимальною температурою на оболонці 100 °С9,0Мідь та латунь (з покриттями)JВода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 7)Те ж15,0Нержавка жаростійкастальPВода, слабкий розчин лугів та кислот(pH від 7 до 9)Те ж15,0Вуглецева стальQВода, слабкий розчин лугів та кислот (pH від 5 до 7)Те ж9,5Алюмінієві сплавиSПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у спокійному газовому середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С2,2Вуглецева стальTПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у спокійному газовому середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С5,0Нержавка жароміцна стальOПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у рухомому зі шв. 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С5,5Вуглецева стальKПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у рухомому зі шв. не менше за 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С6,5Нержавка жаростійка стальRПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у рухомому зі шв. не менше 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С3,1Вуглецева стальNПовітря, ін. гази та суміші газівНагрівання у рухомому зі шв. не менше 6 м/с повітряному середовищі до робочої температури на оболонці ТЕН 450 °С5,1Нержавка жаростійка стальZЖири та оливиНагрівання у ваннах та ін. ємкостях3,0Вуглецева стальVЛуги, лужно-селітрова сумішНагрівання і плавлення у ваннах та ін. ємкостях з робочою температурою на оболонці ТЕН до 600 °С3,5Вуглецева стальWЛегкоплавкі метали:олово, свинець тощо.Те ж, з робочою температури на оболонці ТЕН 450 °С3,5Вуглецева стальLЛиварні форми, прес-формиТЕН, що вставлені в отвори. Є гарантований контакт з металом, що нагрівається. Нагрівання до робочої температури на оболонці ТЕН до 450 °С5,0Вуглецева стальYМеталеві плити з алюмінієвих сплавівТЕН залито у вироби. Робота з термообмежувачами з робочою температурою на оболонці ТЕН до 320 °С13,0Вуглецева сталь
Особливості експлуатації Перед застосуванням ТЕНа, перевіряють: опір ізоляції (у разі його зниження нижче від 0,5 МОм або збільшення струму витоку понад 0,75 мА/кВт ТЕН слід просушити за температури 120—150 °C протягом 4—6 годин); надійність заземлення; захист струмопровідних частин від випадкового дотику до них та потрапляння бризок (для сухих ТЕН-ів); усі монтажні й ремонтні роботи слід проводить за відсутності електричної напруги; Під час використання ТЕНів: необхідно стежити за станом контактних стрижнів струмопровідних провідників, не допускаючи ослаблення електричних з'єднань; коли підтягують контактні гайки, не допускається прокручування контактних стрижнів в корпусі ТЕНа; активна частина ТЕНа повинна бути розташована повністю у робочому середовищі; при нагріванні твердих тіл (деталей штампів, пресформ, ливарних форм) треба забезпечити надійний тепловий контакт оболонки із середовищем нагрівання; у разі послідовного з'єднання ТЕНів, їхня загальна електрична потужність зменшується в таку кількість разів, скільки сполучається нагрівників, і навпаки — коли з'єднання паралельне, спільна потужність ТЕНів збільшується; не допускається застосування кварцових трубчастих електронагрівників, у вертикальному положенні (щодо подібних керамічних нагрівників, існують різновиди як для горизонтального, так і вертикального використання — відрізняються позначеннями).
Див. також Закон Джоуля — Ленца
Примітки
Джерела
ГОСТ 19108–81 (CT СЭВ 6702–89). Электронагреватели трубчатые (ТЭН) для бытовых нагревательных электроприборов. Общие технические условия. ГОСТ 27570.0–87 (МЭК 335-1–76). Безопасность бытовых и аналогичных электрических приборов. Общие требования и методы испытаний.