Электрический нагреватель

[dmitry73]

Здравствуйте.Возник вопрос.Вроде бы простой,но на других форумах(по ремонту бытовой техники)мнения противоречивы,причём каждый доказывает свою правоту законами физики.
Вопрос таков.Электрический тэн(в бойлере или просто кипятильник в ведре с водой)нагревает воду до определённой температуры(до кипения или нет- не важно).Какая температура поверхности тэна?Не в цифрах.Одни объясняют,что температура поверхности тэна не может быть больше 100 градусов,то есть выше температуры кипения воды.По мнению других-тэн греется гораздо выше 100 градусов,но вода,охлаждая его,забирает тепло и поэтому тэн не перегорает(как без воды).
И второй вопрос.Занимаюсь ремонтом и обслуживанием водонагревательных баков,поэтому вопрос профессионального интереса.Тоже были бурные споры на одном форуме.Два случая:тэн в бойлере чистый,и тэн сильно оброс накипью.Одинакова ли будет теплоотдача с тэнов?По логике,если много накипи,то она будет препятствовать отбору тепла водой,а следовательно вода в таком баке будет нагреваться дольше.Но есть противоположные ответы(опять же опираясь на законы физики)Что теплоотдача будет одинаковая,т.к. энергия,вырабатываемая тэном в виде тепла,не может уйти в никуда.Сначала тепловая энергия прогреет слой накипи(время пренебрежимо мало),а затем в такой же степени будет греть воду.
Спасибо.

[Comanchero]

1. Температура ТЭНа может быть и больше температуры кипения воды и чем больше его мощность, тем больше может быть различие.
2.ТЭН, обросший накипью, перегорает именно по причине плохой тепло(температуро)проводности. И, следовательно, вода с таким ТЭНом нагреваться будет дольше.

[Munin]

dmitry73 в сообщении #796952 писал(а):

Вопрос таков.Электрический тэн(в бойлере или просто кипятильник в ведре с водой)нагревает воду до определённой температуры(до кипения или нет- не важно).Какая температура поверхности тэна?Не в цифрах.Одни объясняют,что температура поверхности тэна не может быть больше 100 градусов,то есть выше температуры кипения воды.По мнению других-тэн греется гораздо выше 100 градусов,но вода,охлаждая его,забирает тепло и поэтому тэн не перегорает(как без воды).

ТЭН с водой и ТЭН без воды имеют разную температуру. Которая вас интересует?

В самом ТЭНе температура может различаться: температура нити, температура изолятора, температура внешней трубки - постепенно спадая от центра к поверхности.

[Xey]

dmitry73 в сообщении #796952 писал(а):

теплоотдача будет одинаковая,т.к. энергия,вырабатываемая тэном в виде тепла,не может уйти в никуда

Это правильно. Если проходит ток , то джоулево тепло выделится в любом случае. Если тепловой энергии некуда будет уходить, то будет расти температура неограниченно. Правда бычно это кончается перегоранием .

В этом отчичие электронагрева от нагрева теплопередачей, конвекцией и излучением.
Правда с появлением лазера излучением тоже можно греть почти до бесконечности.

[dmitry73]

Munin в сообщении #796966 писал(а):

ТЭН с водой и ТЭН без воды имеют разную температуру. Которая вас интересует?

В самом ТЭНе температура может различаться: температура нити, температура изолятора, температура внешней трубки - постепенно спадая от центра к поверхности.

Давайте так,как я понимаю.Если включить "водяной" тэн(кипятильник)без воды-он "хлопнет"потому что будет расти его температура и достигнув какого-то значения,тэн перегорит.В воде не перегорает,потому что идёт отбор тепла водой.Какая температура оболочки тэна?Хотя бы без цифр,образно.Гораздо выше 100(кипение воды)или не выше 100?

Xey в сообщении #796973 писал(а):

Это правильно. Если проходит ток , то джоулево тепло выделится в любом случае. Если тепловой энергии некуда будет уходить, то будет расти температура неограниченно. Правда бычно это кончается перегоранием .

Теперь как тут я понимаю.В нормальном режиме(когда нет накипи),всё тепло отводится с поверхности тэна водой(почти всё)Ничто этому не препятствует.Если имеется большой слой накипи,(плохой теплопроводник),то часть теплового потока с поверхности тэна будет задерживаться этим слоем накипи(своего рода изолятор)Но так как по закону сохранения энергии эта часть теплового потока не может пропасть просто так,то она пойдёт на нагрев внутренних элементов тэна(в частности спирали)В итоге спираль работает при более высокой температуре,что со временем приводит к перегоранию.

[venco]

dmitry73 в сообщении #796984 писал(а):

Какая температура оболочки тэна?Хотя бы без цифр,образно.Гораздо выше 100(кипение воды)или не выше 100?

В норме меньше 100, иначе вода закипела бы и шёл пар.
Если же нагреватель шумит, то температура ненамного выше 100 - вода начинает кипеть, но пузырьки пара по пути к поверхности успевают остыть и схлопнуться, отсюда и шум.

[Xey]

dmitry73 в сообщении #796984 писал(а):

Какая температура оболочки тэна?Хотя бы без цифр,образно.Гораздо выше 100(кипение воды)или не выше 100?

Обычно перегрев воды в миллиметрах от нагревателя 5-10 градусов (выше температуры кипения) . Но в принципе (при большой мощности нагревателя и малой его площади) перегрев может быть любым, образуется паровая прослойка и теплообмен не растет.

dmitry73 в сообщении #796984 писал(а):

Но так как по закону сохранения энергии эта часть теплового потока не может пропасть просто так,то она пойдёт на нагрев внутренних элементов тэна(в частности спирали)В итоге спираль работает при более высокой температуре,что со временем приводит к перегоранию.

Да, спираль нагреется до более высокой температуры, при которой теплопередача через слой накипи будет такойже как и без накипи.
Т. е. киловаты в любом случае дойдут до воды, но спираль сгорит быстрее .

[venco]

Кстати, с ростом температуры сопротивление растёт, так что греть через накипь будет таки слабее, хотя величину эффекта оценить не берусь.

[Xey]

venco в сообщении #796990 писал(а):

Если же нагреватель шумит, то температура ненамного выше 100 - вода начинает кипеть, но пузырьки пара по пути к поверхности успевают остыть и схлопнуться, отсюда и шум.

Сходится. Были чайники с трубчатым нагревателем - они шумели недолго.
Терь плоский нагреватель во все дно (чтобы вредно для здоровья не перегревалась вода) , так такие чайники шумят очень долго ( это вредно для психики).

[Theoristos]

dmitry73: на самой внешней поверхности температура при наличии воды не может существенно превышать 100 С. Но при углублении внутрь ТЭН-а она растет, и на спирали достигает бОльших значений.
Накипь плохо передает тепло, поэтому под её слоем температура будет выше.

Вообще, теплопроводность очень похожа на электропроводность. Только вместо потенциала - температура, сопротивления - тепловое сопротивление, а вместо силы тока - величина потока тепла.
В этом случае все генерирующееся тепло должно куда-то уйти, величина полного потока тепла примерно постоянна, а вот распределение температур может быть разное.

Перегорает именно спираль, и важна температура её. В принципе, её даже можно примерно определить, если знать тепловой коэффициент сопротивления материала спирали.

[nikvic]

venco в сообщении #797002 писал(а):

Кстати, с ростом температуры сопротивление растёт, так что греть через накипь будет таки слабее, хотя величину эффекта оценить не берусь.

Иногда используется графит (не в быту), у которого проводимость растёт с температурой.
Обычно используют сплавы, мало меняющие проводимость с нагревом. И тогда ТЭН с "бородой" выдаёт ту же тепловую мощность в воду, хотя имеет несколько бо'льшую инертность.

(Оффтоп)

Три дня назад "коротнула" стиралка. Дядя поменял ТЭН - у старого отросла борода отложений.

[trianon]

dmitry73 в сообщении #796952 писал(а):

.Какая температура поверхности тэна

Если рассуждать на качественном уровне, то ежу понятно, что температура поверхности тэна (хотя бы ненамного), будет выше температуры воды, иначе не будет теплопередачи.

Что же касается того, будет ли она больше или меньше 100 градусов, то здесь всё зависит от соотношения мощности тэна к массе нагреваемой воды.

[dmitry73]

Theoristos в сообщении #797083 писал(а):

на самой внешней поверхности температура при наличии воды не может существенно превышать 100 С.

Это при закипании воды или в процессе нагрева?

-- 06.12.2013, 23:19 --

trianon в сообщении #797097 писал(а):

Что же касается того, будет ли она больше или меньше 100 градусов, то здесь всё зависит от соотношения мощности тэна к массе нагреваемой воды.

То есть по Вашему получается,если взять тэн определённой мощности и опустить в трёхлитровую банку,то поверхность тэна будет иметь температуру 150 градусов.А если его же опустить в бочку с водой,то его поверхность не нагреется выше 100?Так?

[trianon]

dmitry73 в сообщении #797098 писал(а):

То есть по Вашему получается,если взять тэн определённой мощности и опустить в трёхлитровую банку,то поверхность тэна будет иметь температуру 150 градусов.А если его же опустить в бочку с водой,то его поверхность не нагреется выше 100?

И от времени нагрева тоже.В общих чертах так, хотя чтобы получить конкретные цифры надо считать.

[Theoristos]

dmitry73 в сообщении #797098 писал(а):

Это при закипании воды или в процессе нагрева?

Это по факту того, что вода при норм. давлении кипит при 100 с. При повышенном - несколько выше.
В принципе, вода может иметь некоторый перегрев над температурой кипения, зависящий от чистоты нагреваемой поверхности, чистоты воды, величины потока тепла и прочих мелочей, но для реальных ТЭН-ов превышение мне кажется не может быть больше 5-20 градусов.
Сильное отличие начинается уже при градусах 300-х, когда нагреватель окутывается в паровую рубашку (похоже на капли на раскаленной сковороде), плохо пропускающую тепло .
И это в непосредственно близости ТЭН-а. Вода тепло проводит не особо, и при более-менее приличном нагреве, вода вдали может иметь температуру ещё заметно ниже температуры кипения. Собственно "шум" при закипании - схлопывание пузырьков пара, попадающих в холодную область.
То есть, есть некоторая температура толщи воды, есть бОльшая температура на поверхности ТЭН-а, зависящая от интенсивности потока тепла. По мере прогрева та и та поднимается, и когда достигает порога кипения - начинается шум и подкипание воды у ТЭН-а. Но до испарения воды температура вблизи поверхности заметно выше 100 С не будет. А вот углубляясь внутрь она будет повышаться - все эти термостойкие электроизоляционные намазки тепло проводят не очень.