Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

The new design of the heating element

Shelekhov I.Yu. 1 Dryanov O.A. 1
1 Irkutsk State Technical University
Представлена конструкция толстопленочного нагревательного элемента изготовленного в виде электроконфорки (электроконфорка стальная). Приведены результаты исследования параметров конфорок. Электроконфорки стальные превосходят известные аналоги по таким параметрам как средняя наработка на отказ, коэффициент полезного действия, электрическая прочность изоляции. Показано, что новая конструкция обладает высокими экономическими показателями. Стальные электроконфорки можно использовать как в стационарных, так и в переносных электроплитках. На их основе возможно создание современных промышленных и бытовых электронагревательных приборов, легких переносных электроплит, например для автомобилей. Материал, применяемый для изготовления нагревательного элемента позволяет создавать электроконфорки с удельной электрической мощностью до 50 кВт/м2.
The design of thick-film heating element made ​​in the form of elektrokonforki (elektrokonforka steel). The results of the study parameters burners. Elektrokonforki steel surpass known analogs of parameters such as mean time between failures, efficiency, electric strength of insulation. It is shown that the new design has a high economic performance. Steel elektrokonforki can be used in both stationary and portable stove in. On this basis, perhaps the creation of modern industrial and domestic electric heaters, electric stoves portable light, such as for cars. The material used for manufacturing a heating element allows you to create elektrokonforki with specific electric power up to 50 kW/m2.
electric hotplate
thick film heating
Основным функциональным бытовым прибором для приготовления пищи является классическая электроплита, несмотря на то, что число приборов, предназначенных для приготовления пищи с каждым годом растет. Массовое строительство жилья гарантирует стабильное потребление бытовых электроплит, встраиваемой техники, нагревательных приборов. Что и обеспечивает усиление конкуренции на рынке электронагревательных приборов, особенно в среднем ценовом сегменте ($ 150-250): рост дешевого импорта марок «Indesit», «Hansa», «Beko», «Elenberg», «Dako», «Desany». Стоимость ввозимых электроплит и варочных поверхностей с каждым годом планомерно растет и в 2010 году превысила отметку в 200 млн долларов США. В количественном выражении это более 1 млн шт., что составляет 50 % отечественного рынка. Рынок Российских конкурентоспособных моделей составляет всего 7-8 % от общего количества продаваемых электроплит. Это обусловлено тем, что основные модели были разработаны и поставлены на производство в период 60-х годов прошлого века.

Свои разработки в области исследования эффективности электроплит мы начали с анализа нагревательных элементов популярных конструкций. Мы сопоставили внешние и внутренние факторы, влияющие на эффективную работу приборов. Самым распространенным нагревательным элементом для плит до сих пор является чугунная электроконфорка, представляющая собой массивный литой чугунный корпус, на внутренней стороне которого имеются ручейки, в них уложена нагревательная спираль в керамической электроизоляционной массе. Снизу конфорка закрыта стальной крышкой, на которой находится клемная колодка с плоскими соединительными вставками для присоединения выводов спиралей. Для переносных электроплит в основном применяют электроконфорку с трубчатым нагревательным элементом (ТЭН), которая представляет собой металлическую трубку плоскоовальной формы, согнутую в виде архимедовой спирали. ТЭН устанавливается на специальный чашеобразный полированный отражатель и опирается на траверсу. Соединяется ТЭН с электросхемой с помощью быстросъемных клемм.

Для улучшения эксплуатационных характеристик внедряются новые типы нагревательных элементов. Например, электроконфорка, имеющая основание со сплошной рабочей поверхностью из композиционного материала на основе железа с добавками других металлов, и установленный под ним беззазорно электрический нагреватель, теплоизолятор и корпус из листовой стали.

Известные нагревательные элементы, применяемые в электроплитах, имеют ряд недостатков: из-за большой теплоемкости увеличивается время их разогрева, коэффициент полезного действия относительно низкий, средний ресурс времени работы не превышает пяти - шести тысяч часов. В зависимости от условий применения параметры нагревательного меняются не только температурный режим, а также количество тепловых потерь. Самый простой пример: на конфорке (нагревательном элементе) нагревается емкость с водой, нагревается емкость с более высокой температурой кипения, чем у воды, на конфорке ничего не установлено. Один этот же нагревательный элемент в зависимости от разных условий должен обладать различными свойствами. В частности, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен быть различный в зависимости от температурного диапазона, в котором используется конфорка. Классические нагревательные элементы имеют линейный ТКС, в зависимости от применяемых материалов меняется только его величина. На основе композиционных материалов, в основе которых использовался борид никеля, мы создали ряд нагревательных элементов, свойства которых максимально приближены к свойствам тепловой восприимчивости среды.

Целью нашей работы было создание экономичного, надежного, малоинерционного нагревательного элемента, выполненного в виде электроконфорки с повышенным коэффициентом полезного действия.

Цель была достигнута тем, что нагревательный элемент был сформирован на стальной подложке и в сопроводительной документации был назван как электроконфорка стальная. Электроконфорка (рис.1) представляет собой стальную подложку 1 с защитным экраном 2. На торцевой части подложки проточен паз для уплотнительного кольца 3. В центре установлена шпилька 6 с гайками 4, предназначенными для удержания защитного экрана, и стопорной шайбой 5, предотвращающей вращение экрана. С помощью гайки 7 электроконфорка крепится в корпусе электроплиты или электроплитки. На защитном экране расположена керамическая клемная колодка 8 для подключения нагревательного элемента к электропроводке электрической схемы.

Нагревательный элемент электроконфорки формируется непосредственно на подложке из жаростойкой нержавеющей стали марок 15Х25Т, 20Х13, 08Х17Т или 04Х17Т методом толстопленочной технологии, используя специальные пасты, на подложке формируют диэлектрическое покрытие, на который наносят нагреватель. Для защиты греющего слоя от воздействия влаги и механических воздействий наносят защитное покрытие.

Рис. 1. Общий вид нагревательного элемента выполненного в виде электроконфорки (электроконфорка стальная)

Материалы, на основе которых изготовлен нагревательный элемент (стальная подложка, диэлектрическое и защитное покрытие, защитный слой), согласованы по коэффициенту термического расширения, величина которого находится в пределах (10÷12)*10-6К-1.

Для формирования диэлектрического и защитного покрытий используются толстопленочные пасты на основе ситаллоцемента СЭ-3 или стеклоэмали ДСЭ. Греющий слой формируют пастой, представляющей собой суспензию мелкодисперсных порошков борида никеля и стекла (СЭ-3 или ДСЭ).

Греющий слой и диэлектрическое покрытие обладают хорошей адгезией к подложке (до 20 кг/см2). Находящееся между греющим слоем и подложкой теплопроводное диэлектрическое покрытие толщиной всего 200-220 мкм обеспечивает высокое значение коэффициента теплопередачи. Коэффициент полезного действия (КПД) стальной электроконфорки не менее 82 %. Нагревательный элемент изготовлен непосредственно на подложке и равномерно распределен по её поверхности. Обратная поверхность подложки является рабочей, на неё устанавливается емкости с жидкостями, имеющие различные температуры закипания. Материал подложки коррозионностойкий и жаропрочный.

Электроконфорки стальные превосходят известные аналоги по таким параметрам как средняя наработка на отказ, коэффициент полезного действия, электрическая прочность изоляции.

Сравнительные характеристики стальных, чугунных и ТЭНовых конфорок приведены в табл. 1.

По эффективности своей работы данный нагревательный элемент превосходит все аналоги, объяснение эффективной работы показано на рис. 2, где график 1 показывает количество выделяемой мощности классическими нагревательными элементами, но среда, которую нагревает этот элемент, меняет свои свойства. При нагреве меняются такие основные параметры, как теплоемкость, коэффициент теплопроводности и коэффициент теплопередачи.

Таблица 1 Сравнительные характеристики электроконфорок

Тип Электроконфорки

Параметры и характеристика

Чугунная

ТЭН

Стальная

Мощность, кВт

1,0

1,0

1,0

Диаметр, мм.

150

150

150

КПД, %

62

64

82

Средняя наработка до отказа, часов (не менее)

5 000

6 000

10 000

Электрическая прочность изоляции в холодном состоянии, В

1 250

1 250

2 500

График 2 показывает, какое количество тепловой энергии может воспринять сосуд с водой в объеме 1 литр в зависимости от температуры, а график 3 показывает изменение выделяемой мощности разработанного нами нагревательного элемента. Сопоставляя графики, видно, что экономия происходит за счет того, что нагревательный элемент выделяет ровно столько тепловой энергии, сколько в текущий момент может воспринять нагреваемый объект. Заштрихованная область показывает количество тепловой энергии, которая теряется при нагреве с помощью классического нагревательного элемента.

Рис. 2. График работы нагревательных элементов в режиме нагрева воды

1 - классический нагреватель, 2 - теоретически рассчитанный нагревательный элемент, 3 - толстопленочный нагревательный элемент.

Стальные электроконфорки можно использовать как в стационарных, так и в переносных электроплитках. На их основе возможно создание современных промышленных и бытовых электронагревательных приборов, легких переносных электроплит, например для автомобилей. Материал, применяемый для изготовления нагревательного элемента, позволяет создавать электроконфорки с удельной электрической мощностью до 50 кВт/м2.

Рецензенты:

  • Чупин В.Р., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой городского строительства и хозяйства ФГБОУ ВПО Иркутского государственного технического университета. г Иркутск.
  • Шишелова Т.И., д. т.н., профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО Иркутского государственного технического университета. г Иркутск.