В каких средах работают ТЭНы?
В статье представлена информация, позволяющая сопоставить процесс и среду в которой работает ТЭН с материалом оболочки и рассчитать мощность ТЭНа.
В таблице представлена информация, позволяющая сопоставить процесс и среду в которой работает ТЭН с материалом оболочки и рассчитать мощность ТЭНа основываясь на допустимой поверхностной мощности. В правом столбце даны соответсвующие обозначения, которые отражаются в обозначении ТЭНа и его маркировке. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие материалы как алюминий и медь практически не применяются для изготовления ввиду того, что нельзя эффективно использовать их поверхность (имеется в виду то, что доп. пов. мощность алюминия и меди составляет 9,5 и 9 Вт/см2 тогда как у нержавейки и черной стали она составляет 15 Вт/см2.
| Нагреваемая среда | Материал оболочки | Назначение | Допустимая, поверхностная мощность на трубе, Вт/см2 | Обозначение |
| Вода, слабый раствор кислот и щелочей (рН от 5 до 7) | 12Х18Н10Т | Нагревание и кипячение с максимальной температурой на оболочке 100 гр. | 15 | J |
| Ст.10 | 15 | P | ||
| Алюминий | 9,5 | Q | ||
| Медь | 9 | X | ||
| Воздух и пр. газы и смеси газов | 12Х18Н10Т | Нагрев в среде c движущимся со скоростью не менее 6 м/с воздухом, с рабочей температурой на оболочке ТЭН св. 450 гр. | 6,5 | K |
| Нагрев в среде, движущейся со скоростью менее 6 м/с до рабочей температуры на оболочке ТЭН свыше 450 гр | 5,1 | N | ||
| Нагрев в спокойной газовой среде до рабочей температуры на оболочке ТЭН св. 450 гр | 5 | T | ||
| Ст.10 | Нагрев в среде, движущейся со скоростью более 6 м/с воздухом до рабочей температуры на оболочке ТЭН до 450 гр. | 5,5 | O | |
| Нагрев в среде, движущейся со скоростью менее 6 м/с до рабочей температуры на оболочке ТЭН 450 гр | 3,5 | R | ||
| Нагрев в спокойной газовой среде до рабочей температуры на оболочке ТЭН 450 гр | 2,2 | S | ||
| Жиры и масла | 12Х18Н10Т | Нагрев в ваннах и других емкостях | 3 | ZN* |
| Ст.10 | Z | |||
| Литейные формы, пресс-формы | 12Х18Н10Т | ТЭНы вставлены в отверстия. Имеется гарантированный контакт с нагреваемым металлом. | 5 | LN* |
| L | ||||
| Металлические плиты из алюминиевых сплавов | Ст.10 | ТЭНы залиты в изделие. Работа с термоограничителями с рабочей температурой на оболочке до 320 гр. | 13 | Y |
| Щелочь, щелочно-селитровая смесь | Ст.10 | Нагрев и плавление в ваннах и др. емкостях с рабочей температурой на оболочке ТЭН до 600 гр | 3,5 | V |
| Легкоплавкие металлы, олово, свинец и др. | Ст.10 | Нагрев и плавление в ваннах и др. емкостях с рабочей температурой на оболочке ТЭН до 450 гр | 3,5 | W |
| Вода, сильные растворы кислот и щелочей | ВТ-1 | Нагревание растворов в гальванических ваннах | 15 | Ti* |
* - отмечены обозначения не предусмотренные ГОСТ 13268-88, появились в связи с требованием времени.
Подробный разбор с техническими характеристиками
1. Общие сведения
ТЭН — это металлическая трубка, внутри которой расположен спиральный резистивный проводник, засыпанный электроизоляционным заполнителем (обычно оксид магния высокой чистоты). Выбор внешней оболочки (обечайки) и допустимых режимов зависит прежде всего от среды, в которой элемент будет работать. Главные критерии:
-
Максимальная температура нагреваемой среды (Tср) и допустимая темпераtура поверхности оболочки (Tоб).
-
Удельная поверхностная нагрузка q (Вт/см²) — соотношение полной мощности и активной площади оболочки.
-
Химическая стойкость материала оболочки к среде.
-
Скорость потока (для газов и жидкостей) и теплопередача.
-
Давление, наличие вибрации и механических нагрузок.
2. Жидкие среды
| Среда | Рекомендуемый материал оболочки | Tср, °C | Tоб макс., °C | q, Вт/см² (стабильный поток) | Особенности |
|---|---|---|---|---|---|
| Питьевая/техническая вода | Медь (до 90 °С); AISI 304/321 (до 110 °С) | 5 – 90 | 400 | 8 – 12 | Накипь ⇢ чистка, нужна термостабильность. |
| Деионизированная вода | AISI 316L | 5 – 90 | 400 | ≤ 7 | Коррозия меди резко растёт. |
| Минеральные масла | AISI 304/316, Incoloy 800 | 20 – 300 | 650 | 4 – 6 | Вязкость ⇢ мощность распределять равномерно. |
| Термомасла (дифениламин, Dowtherm) | Incoloy 825/840 | 200 – 350 | 750 | 3 – 5 | Слежение температуры обязательно (разложение). |
| Гликолевые смеси (до 60 %) | AISI 316 | 0 – 180 | 500 | 5 – 8 | Не превышать 180 °С во избежание коксования. |
| Расплавы солей NaNO₃/KNO₃ | Incoloy 800H, Inconel 600 | 400 – 600 | 850 | 2 – 4 | Обязательно предварительный прогрев для удаления влаги. |
3. Газообразные среды
| Среда | Оболочка | Tср, °C | Tоб макс., °C | q, Вт/см² (при V≥3 м/с) | Комментарий |
|---|---|---|---|---|---|
| Воздух статический | AISI 321 | 20 – 250 | 750 | 2 – 3 | Низкая теплопередача ⇢ нагрузку снижать. |
| Воздух в потоке | AISI 321/309 | 20 – 500 | 800 | 4 – 8 | Чем выше скорость, тем выше допустимый q. |
| Азот, аргон | Incoloy 800 | 20 – 600 | 900 | 4 – 7 | Инертные газы замедляют окисление. |
| Горячие дымовые газы | AISI 309S/310S | 400 – 900 | 1000 | 2 – 5 | Следить за серой и влагой, возможное коррозионное растрескивание |
4. Агрессивные жидкости и газы
| Тип среды | Оболочка | Tср, °C | q, Вт/см² | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Разбавленные щёлочи (NaOH ≤ 10 %) | AISI 316L | ≤ 90 | ≤ 6 | Избегать медных сплавов; регулярная промывка. |
| Концентрированные щёлочи | Титан Grade 2 | ≤ 120 | ≤ 4 | Титан пассивируется, ресурс > 15 лет. |
| Разбавленные кислоты (H₂SO₄ ≤ 20 %) | Титан, Hastelloy C-276 | ≤ 70 | ≤ 4 | Важна однородность потока для отвода тепла. |
| Хлоридсодержащие среды | Тефлон-оболочка + Ti | ≤ 100 | ≤ 2 | Используют ТЭН в стеклянной или ПТФЭ трубке. |
| Расплав цинка/алюминия | Inconel 600 c Al-покрытием | 400 – 800 | ≤ 950 | q ≤ 2; монтаж в защитной гильзе. |
5. Твёрдые и пастообразные вещества
-
Герметичные ТЭНы в пресс-плитах для литья под давлением (Incoloy 800, q≈5 Вт/см², Tоб ≤ 750 °С).
-
Керамические инфракрасные излучатели (корундовая оболочка, Tоб ≤ 1000 °С, q ≈ 15 Вт/см²).
6. Расчёт поверхностной нагрузки
Упрощённая формула:
где P — мощность, d — внешний диаметр ТЭНа, L — активная длина.
При проектировании учитывают также коэффициент теплопередачи h (Вт/м²·К) и температуру стенки, решая систему уравнений теплового баланса.
7. Электрические параметры и изоляция
| Показатель | Значение по ГОСТ 13268-88* |
|---|---|
| Сопротивление изоляции при 100 °C | ≥ 50 МОм |
| Пробивное напряжение (50 Гц, 1 мин) | 2000 В для U ≤ 380 В |
| Ток утечки при 230 В | ≤ 0,5 мА |
* Актуальные паспортные данные конкретного изготовителя могут отличаться.
8. Рекомендации по выбору
-
Определить среду – химический состав, температура, агрегатное состояние.
-
Задать требуемую мощность и проверить, что поверхностная нагрузка q не превышает пределов из таблиц для выбранной среды.
-
Согласовать материал оболочки (стандарт ASTM/EN, наличие сертификатов FDA/EC 1935 для пищевых процессов).
-
Учесть конструкцию – форма, место вывода выводов, гермовводы, наличие взрывозащиты (Ex d, Ex e, Ex t).
-
Предусмотреть сервис – доступ к очистке, замене и контролю температуры (термопары, термостаты, ПИД-регуляторы).
9. Заключение
Корректный подбор ТЭНа по среде и режимам работы напрямую влияет на надёжность, КПД и безопасность установки. Пользуйтесь паспортными таблицами производителя и всегда оставляйте запас 15-20 % по температуре оболочки и 10-15 % по мощности — это продлит ресурс и снизит риск аварийных остановок.
