Сегодня использование электронагрева в гальванике и химии агрессивных сред вместо других не всегда удобных и экономически эффективных видов нагрева получает все большее распространение, т.к. вряд ли что-то проще, чем поместить нагреватель в емкость и подключить напряжение. ТЭНы представляют собой довольно простые устройства и поэтому их совершенствование вполне по силам малому бизнесу, вместе с тем их применение, особенно в новых областях техники, может снять государственный эффект, позволяя экономить значительные ресурсы.

1. ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ОБОЛОЧКАМИ

ТЭНы из коррозионностойких металлов изготавливаются по условиям работы в конкретной емкости (вид раствора, концентрация, рабочая температура, время разогрева). Для оболочек стандартных ТЭНов кроме бесшовных труб из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рекомендуемой для слабых растворов кислот и щелочей (pH=5÷9), в агрессивных средах используется химстойкая сталь 10Х17Н13М2Т, а также такие металлы как медь, свинец, титан, цирконий и тантал. Очень высокая стоимость тантала делает производство ТЭНов из него экономически нецелесообразным. Свинец может работать в серной, фосфорной и плавиковой кислотах. Возможность использования свинца, как защитного покрытия для ТЭНов, известна давно, однако большого распространения этот способ не получил. Наиболее распространенным для агрессивных сред  являются ТЭНы из титана. Сортамент  имеющихся труб таких марок как ВТ 1-0 и ПТ-1М достаточен для изготовления ТЭНов,отлично работающих в азотной кислоте и даже в «царской водке». Однако горячие концентрированные соляная и серная, фосфорная и плавиковая кислоты, а так же растворы щелочей средних концентраций растворяют титан. Титан «боится» и некоторых органических кислот, в частности муравьиную и щавелевую. Нами освоен выпуск особо мощных ТЭНов из титана длиной до 4,5 м, в том числе рассчитанных на безопасное напряжение (до 36 В). Такие ТЭНы позволяют очень быстро нагревать большие объемы жидкости до нужной температуры. Например, разработаны ТЭНы Ø12 и 13 мм с линейной нагрузкой до 50 кВт/м.

Другим «конверсионным» материалом для ТЭНов, пришедшим из атомной техники, является цирконий. Из трубок Ø9,1 х 0,65 мм и Ø13,6 х 0,9 мм было освоено производство ТЭНов Ø7,5 мм и 11 мм. Увеличение тепловых нагрузок ТЭНов выше, чем у стандартных ТЭНов в 3-6 раз, удалось достичь путем применения в ТЭНах  высокотеплопроводных композиций изоляторов. Примерами мощных электронагревателей могут быть ТЭНы Ø11мм с активной длиной 0,5 м, мощностью 10 кВт. Нами выпускаются ТЭНы Ø13 мм, длиной до 8м, мощностью 100 и 150 кВт, оснащенные встроенными термопарами.

2. ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ОБОЛОЧКАМИ

Кроме металлов в качестве оболочек электронагревателей применяются кварцевые стекла, внутри которых  может находиться или спираль, или керамический нагревательный элемент. Такие изделия имеют форму прямого патронного электронагревателя мощностью до 6 кВт и длиной до 2 м. Из-за хрупкости стекла они требуют аккуратного обращения и неприменимы в щелочных ваннах. Стоимость их на порядок выше, чем у равных по мощности титановых ТЭНов.

Исключительно химически стойким материалом, на который не действуют кислоты, щелочи, окислители и растворители является политетрафторэтилен (фторопласт). Он совершенно негорюч, абсолютно негигроскопичен, обладает практически нулевой адгезией и относится к одним из лучших диэлектриков. Естественно, такой материал привлекателен для устройств низкотемпературного электронагрева, поскольку диапазон его рабочих температур от -60ºС до +250ºС. Указанные свойства означают возможность его использования в широкой области техники (гальваники, химии, биотехнологии, медицине, транспорт и т.д.). Нами разработано несколько видов конструкций фторопластовых электронагревателей (ЭНФ). Такие ЭНФ ,  рассчитанные на низкие напряжения (12-36 В) имеют стержневой или трубчатый нагревательный элемент из нихрома или нержавеющей стали, на которых имеется покрытие из фторопласта Ф-4Д. Например, для ФЭНа Ø6,2 мм толщина – 0,5 мм; при активной длине 4 м и напряжении 36 В его мощность составляет 2,3 кВт.

Расчет максимальной тепловой нагрузки ЭНФ проводится исходя из предельно допустимой температуры на внутренней поверхности фторопластового покрытия +250ºС. Тепловая нагрузка зависит от рабочей температуры жидкости, и чем эта температура ниже, тем больше допустимая нагрузка.

ЭНФ легко «вручную» придать любую форму в соответствии с размерами емкости, а также соединить их параллельно в «пучки», когда требуется большая мощность. При эксплуатации должно выполняться условие омывания греющей поверхности со всех сторон, иначе при полном контакте со стенкой, например, из полистирола, возможно ее повреждение.

Для напряжений 220/380 В предлагается конструкция ЭНФ с оболочкой из фторопластовой трубки, внутри которой находится нагревательный элемент в виде спирали из нихрома и изолятора в виде керамических втулок и порошка наполнителя. Характерные размеры оболочки Ø13 х 1,5 мм, длина до 6 м. Часто используется трубка Ø12 х 1,5 мм и Ø12 х 1 мм. Линейная тепловая нагрузка ЭНФ зависит от соотношения наружного и внутреннего диаметра оболочки. Например, для ЭНФ Ø12 х 1 мм тепловая нагрузка выше в 1,3 раза по сравнению с ЭНФ Ø13 х 1,5 мм. Для толщины стенки 0,2 мм и меньше тепловые нагрузки ЭНФ соответствуют и даже превышают значения, характерные для стандартных «водяных» ТЭНов. Проверка  возможностей  ФЭНов Ø13 х 1,5 мм была проведена в ванне с едким натром при температуре раствора до 180ºС, при этом ЭНФ был оснащен внутренними термопарами. Диапазон допустимых линейных нагрузок составляет от 1200Вт/м при температуре жидкости 25ºС, до 300 Вт/м при температуре 170ºС.

Трехлетний опыт эксплуатации ЭНФ показал их убедительные преимущества при работе в агрессивных средах по сравнению с ТЭНами. Помимо отсутствия взаимодействия жидкости с оболочкой и отложений важным является отсутствие потенциала на оболочке и такого характерного отказа для ТЭНов, как пробой и короткое замыкание, что обеспечивает большую надежность и работы ФЭНов.

Технология изготовления патронного ЭНФ почти не отличается от используемой  для двухконцевого ЭНФ. Она включает установку спиральных или проволочных нагревательных элементов в двухканальной керамике, а также монтаж фторопластовой трубки на торце ЭНФ. Сохранение приданной согнутым ЭНФ формы и их дистанционирование от стенок ванны и друг от друга обеспечивается пластинами из фторопласта с отверстиями для ЭНФ. За последнее время такие ЭНФ получили «прописку» на десятках предприятий и судя по темпам их признания, наступил переход к их серийному производству.

Для подогрева нефтепродуктов в оборудовании нефтедобычи и емкостях хранения, особенно в зимних условиях, фторопластовые нагреватели также имеют преимущества как по требованиям безопасности, так и по отсутствию отложений, которые могут ухудшить теплоотдачу и вызвать выход из строя ТЭНов.