ТЭН встречается во многих устройствах: в бытовой технике, применяемой дома, в оборудовании, используемом в производственном масштабе. Он представляет собой простое и элементарное устройство, принцип работы которого известен многим. Это достаточно давнишнее изобретение – ТЭН является почти ровесником открытия электричества. Вот только, как и многие другие изобретения, в широкое потребление он вошел относительно недавно. Но теперь можно легко купить ТЭНы для водонагревателей, обогревателей, стиральных машин, духовки, электроплиты и многих других устройств – они доступны на рынке в большом разнообразии. Рассмотрим, как развивалась история создания ТЭНа, какими они были на начальных этапах, как были модернизированы и улучшены со временем.
В каком году изобрели ТЭН
Почти каждому приспособлению для обогрева, доступному сейчас на рынке Украины, свойственно применение ТЭНа – трубчатого электронагревателя. Он состоит из спирали в корпусе, при прохождении электричества через которую, образуется тепло. В современности это устройство не сильно отличается от того, что было создано первоначально. Оно было лишь улучшено для повышения различных качеств.
Патент на ТЭН принадлежит американцу Джорджу Б. Симпсону. Поэтому на вопрос, где изобрели ТЭН, можно ответить – в США. Он был зарегистрирован 20 сентября 1859 года. Однако, этому событию предшествовало два других открытия – закон сохранения и превращения энергии и закон Джоуля-Ленца. Именно они являлись фундаментом для создания электрического нагревателя.
Закон сохранения и превращения энергии был открыт постепенно и в основном в течение 19 столетия трудами нескольких ученых, среди которых Готфрид Вильгельм Лейбниц, Юлиус Роберт фон Майер, Джеймс Джоуль и Герман фон Гельмгольц. Можно сказать, что это те, кто изобрел первый ТЭН косвенно, то есть создали основу для этого изобретения. Закон гласит о том, что энергия никогда не берется из ничего и никогда не пропадает в никуда. Энергия в любой форме является преобразованной из другой. Например, энергия тепла может быть превращена в механическую энергию путем сжигания топлива в двигателе. И наоборот – механическая энергия может быть превращена в тепло путем трения. Энергия света может стать электричеством в солнечных панелях. Таким образом, уже тогда стало понятно, что энергия электричества может быть преобразована в любую другую, в том числе и в тепло.
Закон Джоуля-Ленца был основан в 1841 году. Трудились над ним два ученых независимо друг от друга – Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц, поэтому он и получил двойное имя. Суть физического закона в том, что количество тепла (Q) прямо пропорционально сопротивлению проводника (R), времени прохождения электричества через проводник (t) и силе тока в квадрате (I2). Закон записывается в виде такой формулы: Q=I2Rt. Любой электрический конвектор обогреватель работает на основе закона Джоуля-Ленца – превращает электрическую энергию в тепловую.
Тот, кто изобрел ТЭН, взял в качестве фундамента именно эти два закона. Ему стало понятно, что из электричества можно получить любую энергию, в том числе и тепло, и нужно лишь придумать для этого специальное устройство – “преобразователь электричества в тепло”. А также ему уже было известно, что чем больше сопротивление проводника и сила тока, тем больше нагревается проводник. Так в 1859 году и был создан и запатентован Джорджем Б. Симпсоном первый в мире ТЭН. Но широкого распространения он тогда не получил, так как до повсеместной электрификации оставалось еще более 50 лет. А если у людей в домах нет электричества, то и в ТЭНе не появилось никакой необходимости.
Когда был создан первый ТЭН и как он тогда выглядел
В 1859 году первый ТЭН не сильно отличался от современного. Например, батарея с ТЕНом, приобретенная в любом магазине в Киеве, будет иметь нагреватель с таким же принципом действия, как задумал тот, кто придумал ТЭН, за исключением небольших улучшений.
Первый ТЭН представлял собой спираль проводника, которая была заключена в защитный корпус в виде трубки из металла. Наружу были выведены два контакта, через которые на спираль поступало электричество. Так как изобрели ТЭН в середине 19-го столетия, он был примитивным, не технологичным, не долговечным и малоэффективным. Однако, оказал серьезное влияние на развитие техники в будущем.
Почему проводник был именно в виде спирали? Согласно закону Джоуля Ленца, высокое сопротивление проводника (R) повышает количество тепла (Q). Сопротивление проводника зависит от многих факторов и один из них – его длина. Поэтому стало понятно, что нужно использовать как можно более длинный проводник. Но чтобы устройство не получилось слишком громоздким, Джордж Б. Симпсон придал этому проводнику форму спирали – в таком виде она имеет также достаточно большое сопротивление, но требует меньше места.
Для чего был использован металлический корпус в виде трубки? В его основную функцию входит защита спирали, так как она тонкая. Площадь сечения проводника – это второй показатель, который влияет на сопротивление: чем меньше площадь, тем больше сопротивление (представьте, чем меньше диаметр водопроводной трубы, тем с большим сопротивлением вода будет через нее проталкиваться). Поэтому проводник для максимальной теплоотдачи должен быть тонким. И чтобы спираль не повредилась от физического воздействия, она была заключена в трубчатый корпус из металла, который выдержит высокую температуру. Трубчатый корпус, кроме этого, еще и помогал рассеивать тепло более равномерно.
Изобретение ТЭНа оказало большое влияние на историю создания и развития обогревателя для отопления и техники для нагрева воды. Первый ТЭН в бытовой технике был использован в посудомоечной машине в 1885 году. Он применялся для подогрева воды. С того времени трубчатый нагреватель начал постепенно входить в отрасль бытовых устройств. И по мере распространения электрификации увеличивалась доступность техники и распространение ТЭНа.
С тех пор, когда были изобретены ТЭНы, принцип их работы не изменился. Со временем, в течение 20 века, лишь улучшилась их конструкция для того, чтобы продлился срок его эксплуатации и повысился КПД. Изобретение ТЭНа стало основой для различной бытовой техники, которая присутствует у вас дома. Например, они используются в составе панельного обогревателя, бойлера, стиральной или посудомоечной машины – в интернет-магазине такая техника доступна в большом разнообразии.
Как работали ТЭНы в 20-м столетии
Мы уже знаем факт того, в каком году появились ТЭНы. Это была эпоха зарождения электричества, 19-й век. В течение 20-го столетия эта отрасль стремительно развивалась. В это время было создано и улучшено множество устройств и за несколько десятков лет дома людей получили оборудование и технику, без которых сейчас представить себе нормальный быт невозможно – в магазинах появились телевизоры, стиральные машины, электрические варочные поверхности, духовки, холодильники, электробойлеры и многое другое. Поэтому в это время и обычный ТЭН получил несколько улучшений, к которым относится:
- Использование нихрома в качестве нагревательной спирали. Нихром (NiCr) – это сплав, который состоит из никеля (Ni) и хрома (Cr). Этот металл имеет свойства, которые позволяют использовать его как нагревательную спираль ТЭНа. К его физическим преимуществам относится способность выдерживать высокие температуры без стремительного разрушения и плавления (выдерживает более 1100 °C). Также он отличается стойкостью к коррозии и окислению даже под воздействием температуры. Кроме того, у нихрома высокое электрическое сопротивление, что позволяет использовать небольшое количество металла и тока для получения достаточного количества тепла. А также этот металл пластичный, поэтому из него можно легко и без риска излома сформировать спираль.
- В 1918 году инженер из компании General Electric Co получил патент на новый вид ТЭНа. От ТЭНа Джорджа Б. Симпсона он отличался тем, что между спиралью и металлическим корпусом имеется специальный порошок, который выполняет несколько функций. Во-первых, он фиксирует спираль и на дает ее виткам сомкнуться друг с другом. Во-вторых, он выполняет роль изоляции спирали от металлического корпуса, контакт с которым также привезет к замыканию. И, в-третьих, этот изолятор электричества хорошо проводит тепло, лучше воздуха, как и любой твердый материал, поэтому он повышает КПД ТЭНа. Вот почему иногда на вопрос, когда и где придумали ТЭН, может быть ответ не 1859-й год, а 1918-й, США.
Именно такой ТЭН с наполнителем в виде порошка и с нихромовой спиралью содержит панельный, радиаторный, конвекторный или дуйка обогреватель и большинство других устройств.
История ТЭНа в 21-м столетии
История изобретения ТЭНа не заканчивается на внедрении нихромовой спирали и изолирующего порошка. В 21-м столетии технологии позволили улучшить электронагревательную трубку, сделать ее более долговечной и эффективной.
С тех пор, когда появились ТЭНы, нагреватель преследует одна проблема – спираль со временем разрушается. Она изготавливается из проводника с небольшой площадью сечения, что необходимо для получения высокого электрического сопротивления. И, так как толщина материала маленькая, он не достаточно прочный и со временем разрушается. Чтобы продлить срок эксплуатации ТЭНа в современных условиях, используются улучшенный нихромовые сплавы:
- железо, хром и алюминий, FeCrAl – сплав, который выдерживает без разрушения до 1350 °C, легко формуется в спираль, держит форму и при этом при изготовлении обходится дешевле нихрома;
- кентал, высоколегированный сплав железа, хрома и алюминия, который выдерживает температуру до 1500 °C и имеет все остальные свойства обычного сплава FeCrAl;
- ферроникель – к хрому и никелю добавляется железо, кроме того, что оно обеспечивает высокую прочность, этот компонент также уменьшает коэффициент теплового расширения, то есть при нагреве спираль расширяется меньше, чем обычный нихром.
Благодаря таким улучшенным сплавам, современные ТЭНы могут служить в течение 10-15 лет. Такие нагреватели применяют различные виды электрических обогревателей, водонагревающей техники и других устройств
История развития ТЭНов привела к использованию более эффективного наполнителя – изолятора межу спиралью и корпусом. Теперь для этого применяется оксидная керамика с высокой степенью чистоты – MgO, Al₂O₃. Этот материал обеспечивает равномерное распространение тепла, выдерживает высокие температуры без деградации в течение длительного времени, исключает пробои, образование дуги и утечку электричества.
Современные ТЭНы изготавливаются с улучшенным корпусом. Для этого применяются различные сплавы меди, титана, стали, а также неметаллические материалы – кварц и керамика. Эти материалы корпуса электронагревателя обеспечивают такие свойства:
- Уменьшение интенсивности образования накипи и коррозии при работе в воде или влажной среде.
- Возможность работы в агрессивных средах – кислотах, солевых растворах. В том числе стойкость к загрязнениям, которые могут быть в водопроводной или колодезной воде. Когда выполняется подключение систем отопления в Киеве или других населенных пунктах, где вода не достаточно чистая, это свойство имеет большое значение для оборудования, нагревающего теплоноситель.
- Нагрев без выделения вредных веществ, что важно для бытовых обогревателей, устройств, используемых для нагрева воды в гигиенических целях или приготовления пищи.
- В некоторых ТЭНах используются специальные материалы корпуса, которые при нагреве интенсивно излучают инфракрасное излучение. ИК-лучи поглощаются предметами и нагревают воздух. Такую технологию применяют инфракрасные радиаторы и обогреватели, в ассортименте доступные в магазине, они обеспечивают быстрый нагрев.
Развитие полупроводников позволило создать интеллектуальные ТЭНы. Некоторые модели оснащаются датчиками температуры и даже контроллерами. Благодаря этому стала возможна разработка автоматических ТЭНов, которые нагреваются до заданной температуры и поддерживают ее. Тот, кто сделал первый ТЭН, даже не представлял себе такого технологического прогресса.
Также сейчас широко используются ТЭНы с несколькими ступенями мощностей. У них не два, а три, четыре или больше контактов. Один общий, остальные подключают тот или иной участок спирали. Таким образом, можно регулировать температуру нагрева и количество потребляемой энергии. Это повышает удобство эксплуатации и экологичность ТЭНа.
Кроме того, современные технологии позволяют создавать ТЭНы в различных физических формах. Они могут быть гибкими, ленточными, которые применяются в электрических теплых полах и их продажа сейчас происходит очень активно. В некоторых случаях корпуса ТЭНов создаются с помощью 3D формовки, что позволяет им точно повторять необходимую геометрию посадочного места в бойлере или котле.
Учитывая, в каком году был создан первый ТЭН, можно сказать, что за более чем 150 лет развития, устройство потерпело эффективные улучшения. Благодаря этому трубчатый электрический нагреватель используется теперь повсеместно.
Теперь вы знаете, кто и когда изобрел первый ТЭН, как это устройство развивалось, какие новшества и улучшения оно получило. Современный трубчатый электрический нагреватель отличается от самого первого, теперь в нем используются более совершенные материалы и технологии, которые позволяют сделать ТЭН эффективным, экономичным, надежным и долговечным. Но принцип действия остался прежним.
