ТЭН С ЗАЩИТОЙ ОБОЛОЧКИ ОТ НАКИПИ, УСТАНАВЛИВАЕМОЙ НА НЕФЕРРОМАГНИТНЫЙ БАК ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области теплотехники и предназначена для предупреждения образования солевых отложений (накипи) на оболочках трубчатых электронагревателей (ТЭНов) при нагреве и кипячении воды, и может быть использована при производстве различных электрических водонагревателей с баками из неферромагнитных материалов.
Первичная накипь, образующаяся на оболочках трубчатых электронагревателей, в 3-5 раз уменьшает срок их службы за счет перегрева спирали и оболочки. Особенно большие проблемы с первичной накипью возникают при непрерывном нагреве и кипячении жесткой проточной воды, когда скорость ее образования на оболочках достигает 0,2-0,4 мм в сутки, а срок службы ТЭНов не превышает одного месяца.
Для оболочек ТЭНов (малых поверхностей нагрева) задача борьбы с первичной накипью решается в промышленности не так часто и в основном за счет предварительной химической водоподготовки или магнитной обработки воды. Но эта проблема сегодня становится актуальной, т.к. в последние годы резко увеличивается количество потребителей, использующих электроэнергию для нагрева и кипячения воды в бытовых и промышленных условиях. Поэтому решение проблемы защиты оболочек ТЭНов от первичной накипи с начала их эксплуатации без дополнительного сложного оборудования водоподготовки, за счет простых электротехнических устройств, позволило бы в несколько раз увеличить срок их службы, сэкономить сотни миллионов киловатт электроэнергии и уменьшить влияние на природу.
Известны способы и устройства борьбы с первичной накипью за счет предварительной водоподготовки, основанной на пропускании воды через магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен направлению движения воды (см. Авторские свидетельства СССР №№544616, 626044, 565883, 1066674, 1537647, книги Магнитная обработка воды, изд. Судостроение, Ленинград, 1969 г. Авт. П.С.Стукалов, Е.В.Васильев, Н.А.Глебов; Омагничивание водных систем, изд. Химия, Москва, 1978 г. Авт. В.И.Классен; Электромагнитная обработка воды в теплоэнергетике, изд. Вища школа, Харьков, 1981 г. Авт. В.И.Миненко; Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике, изд. Энергия, Москва, 1970 г. Авт. Е.Ф.Тебенихин, Б.Т.Гусев, АИНФ 146 (ОБ), изд. ЦНИИ информатики и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, Москва, 1973 г.).
Указанные способы и устройства предусматривают разнесение во времени процессов обработки воды магнитным полем и ее нагрева, т.е. магнитная обработка воды
осуществляется до попадания ее в бак для нагрева. При этом антинакипные свойства обработанной магнитным полем воды существенно зависят от многих факторов, включая время года, климатические условия, время между магнитной обработкой воды и ее нагревом, химический состав воды, время обработки воды магнитным полем и т.д. Поэтому в настоящее время нет общей теории магнитной обработки воды для теплоэнергетики и нет универсальных устройств, пригодных для магнитной обработки воды с меняющимся химическим составом.
Основным недостатком данных способов и устройств защиты от первичной накипи является нестабильность результатов при изменении химического состава воды, результат может быть, как положительным, так отрицательным.
Наиболее близким к заявляемому, является ТЭН, представленный в патенте РФ на полезную модель №52994. Трубчатый электронагреватель, описанный в указанном патенте, содержит нагревательный элемент, выполненный в виде спирали, соединенной своими концами с контактными стержнями, и запрессованной вместе с ними и с наполнителем в ферромагнитную оболочку. Оболочка герметизирована в торцах и снабжена на концах электрическими изоляторами и элементами крепления к баку водонагревателя, при этом на концах оболочки с внешней, торцовой или внутренней стороны закреплены постоянные магниты или электромагниты. Указанные магниты обеспечивают в обычных ТЭНах намагничивание их оболочек, которые формируют собственное магнитное поле, обеспечивающее обработку воды магнитным полем в зоне ее нагрева и во время нагрева. Воздействие на нагреваемую воду магнитным полем обеспечивает кристаллизацию солей из воды практически полностью в ее объеме (в зоне нагрева) и защиту оболочек ТЭНов от первичной накипи.
Недостатком данного технического решения является необходимость применения дополнительных постоянных магнитов, например, из редкоземельных материалов, предельная температура применения которых не превышает 150°С., что существенно ограничивает область их практического применения. Любой перегрев ТЭНа и указанных постоянных магнитов приводит к потере магнитных свойств постоянных магнитов и ликвидации системы защиты оболочки ТЭНа от первичной накипи. Применение дополнительных электромагнитов, обмотки которых включены последовательно с нагревательным элементом, существенно усложняют конструкцию ТЭНа и изменяют технологию их изготовления.
Целью полезной модели является создание ТЭНов с минимальными изменениями их конструкции, обеспечивающих простую, надежную и эффективную защиту их ферромагнитных оболочек от первичной накипи и, следовательно, с повышенным КПД и
сроком службы, с сохранением существующей технологии изготовления и с существенным увеличением температуры их применения.
Техническая задача полезной модели - использовать для защиты от первичной накипи ферромагнитной оболочки ТЭНа собственное магнитное поле оболочки, создаваемое магнитным полем спирали нагревательного элемента при протекании по ней электрического тока.
Трубчатый электронагреватель, содержит нагревательный элемент, выполненный в виде спирали, например, из нихромовой проволоки. При протекании электрического тока по спирали нагревательного элемента ТЭНа, она одновременно является соленоидом, формирующим магнитное поле, которое может быть использовано для намагничивания ферромагнитной оболочки ТЭНа.
Магнитной цепью электротехнических устройств называется совокупность элементов, возбуждающих магнитное поле (электромагниты или постоянные магниты), и магнитопроводов (ферромагнитные тела, образующие замкнутые пути для основной части магнитных линий поля). Она предназначена для создания в определенном объеме электротехнического устройства магнитного поля требуемой интенсивности, конфигурации и направленности.
При выполнении контактных стержней ТЭНа из ферромагнитных материалов в магнитную цепь, например, обычного U-образного ТЭНа входят спираль нагревательного элемента (электромагнит), два контактных стержня, ферромагнитная оболочка, два воздушных зазора между концами контактных стержней и оболочкой, и воздушный зазор между концами контактных стержней.
При выполнении контактных стержней из неферромагнитных материалов в магнитную цепь ТЭНа входит спираль нагревательного элемента (электромагнит), ферромагнитная оболочка, два воздушных зазора между концами спирали и оболочкой.
Магнитные сопротивления воздушных зазоров в рассматриваемых магнитных цепях являются определяющими, т.к. магнитные сопротивления ферромагнитных магнитопроводов имеют величины существенно ниже магнитных сопротивлений воздушных зазоров, и поэтому их можно не учитывать.
Магнитный поток в магнитной цепи играет роль, аналогичную току в электрической цепи и определяется в каждом участке цепи по выражению:
i
- магнитное сопротивление i-го участка магнитной цепи, Li - средняя длина i-го участка магнитной цепи, Si - сечение i-го участка магнитной цепи, μ - относительная магнитная проницаемость i-го участка цепи,
0
μ - магнитная постоянная, w- количество витков спирали, I - ток, протекающий по спирали.
i
2
2
Относительная магнитная проницаемость ферромагнетика μ определяет, во сколько раз увеличивается индукция в ферромагнетике относительно индукции внешнего намагничивающего поля. Если оболочку ТЭНа намагнитить хотя бы до технического насыщения за счет пропускания по ней магнитного потока, сформированного спиралью ТЭНа при протекании по ней постоянного или переменного электрического тока, то оболочка не покрывается первичной накипью даже при непрерывном нагреве проточной воды при температуре 65-85 град.С и удельной поверхностной мощности оболочки до 25 Вт\см (согласно ГОСТ 13268 - 88 предельная удельная поверхностная мощность для оболочек ТЭНов составляет 15 Вт\см). Это объясняется тем, что оболочка намагничивается и создает собственное магнитное поле, параметры которого могут в сотни раз превышать параметры намагничивающего поля спирали нагревательного элемента. Собственное магнитное поле оболочки и обеспечивает магнитную обработку воды непосредственно в зоне ее нагрева и во время нагрева, обеспечивая кристаллизацию солей в основном в объеме воды, а не на поверхности оболочки.
В существующих, например, U-образных ТЭНах с малым расстоянием между контактными стержнями, магнитные потоки, определяемые магнитным полем, формируемым спиралью нагревательного элемента, замыкаются в основном не по оболочке, а по воздуху между концами ферромагнитных контактных стержней. Поэтому, для достижения поставленной цели по защите ферромагнитной оболочки от первичной накипи, необходимо добиться того, чтобы основная часть магнитного потока, создаваемого спиралью нагревательного элемента при протекании по ней электрического тока, замыкалась по ферромагнитной оболочке ТЭНа, и намагничивала ее, по крайней мере, до технического насыщения.
Под техническим насыщением оболочки понимается завершение процессов смещения границ в ее ферромагнитных кристаллах вдоль одной из осей легчайшего намагничивания, ближайшей к направлению намагничивающего поля спирали. Для того чтобы магнитный поток, замыкался по оболочке ТЭНа, установленного в неферромагнитном баке водонагревателя, необходимо включить оболочку и спираль в замкнутую магнитную цепь, напряженность и магнитное сопротивление которой, позволяют обеспечить намагничивание оболочки, по крайней мере, до технического насыщения.. Общее магнитное сопротивление этой цепи в значительной мере зависит от магнитных сопротивлений воздушных зазоров между концами ферромагнитных
контактных стержней, и сопротивлений между концами ферромагнитных контактных стержней и оболочкой.
В рассматриваемом техническом решении рассматривается только вариант установки ТЭНа на неферромагнитный бак водонагревателя, т.к. при установке на ферромагнитный бак возникают проблемы по шунтированию магнитного потока оболочки через указанный бак. В этом случае необходимо будет провести некоторые мероприятия по увеличению магнитного сопротивления цепи, включающей ферромагнитный бак, например, за счет введения между оболочкой ТЭНа (штуцером) и указанным баком неферромагнитных втулок.
Для увеличения магнитного потока в оболочке необходимо ввести, либо, по крайней мере, один дополнительный ферромагнитный элемент, увеличивающий магнитную индукцию поля, создаваемого спиралью, либо, по крайней мере, один дополнительный ферромагнитный элемент, изменяющий магнитные сопротивления воздушных зазоров между концами ферромагнитных контактных стержней и сопротивления между концами ферромагнитных контактных стержней и оболочкой. При этом увеличение индукции, либо изменения магнитных сопротивлений должны быть такими, чтобы оболочка намагничивалась, по крайней мере, до технического насыщения. Форма и расположение этого дополнительного ферромагнитного элемента зависит от магнитных свойств материалов оболочки и контактных стержней, внутреннего диаметра спирали и сечения оболочки.
При изготовлении оболочек ТЭНов применяются различные марки сталей с различным направлением прокатки и различной технологией отжига, поэтому величина максимальной относительной магнитной проницаемости μ материала оболочки может изменяться в широком диапазоне (200-7000). Кроме того, μ зависит от величины магнитной индукции оболочки (см. кривую Столетова). В связи с этим, для каждого сочетания материалов оболочки и контактных стержней, необходимо применять различные варианты введения дополнительных ферромагнитных элементов.
При низкой относительной магнитной проницаемости материала оболочки μ<500, и выполнении контактных стержней, из неферромагнитного материала, указанный дополнительный ферромагнитный элемент представляет собой прямолинейный стержень длиной (0,01-0,1) длины спирали и диаметром (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали, введенный внутрь спирали на ее прямолинейном участке и изолированный от ее витков. Введение такого дополнительного ферромагнитного стержня увеличивает индукцию магнитного поля спирали.
Длина дополнительного ферромагнитного стержня выбирается из условий практической реализации. В идеале, длина этого стержня может быть равной длине спирали, но при этом существенно усложняется технология изготовления ТЭНа, поэтому и введены указанные ограничения. На практике, целесообразно изготавливать стержни длиной 1-3 см.
Диаметр дополнительного ферромагнитного стержня определяется конструкцией и материалом изолятора, обеспечивающего электрическую изоляцию стержня от витков спирали. При этом, величина диаметра стержня определяет величину индукции магнитного поля спирали (этот вопрос более подробно будет рассмотрен далее).
При высокой относительной проницаемости материала оболочки μ>500 может быть достаточным только выполнение контактных стержней из неферромагнитного материала.
При высокой относительной магнитной проницаемости оболочки μ>500, и контактных стержнях, выполненных из ферромагнитного материала, указанные дополнительные ферромагнитные элементы могут быть выполнены в виде шайб или штуцеров, закрепленных на концах оболочки, и имеющих внешний диаметр, не менее 1,5 диаметра оболочки. Эта величина определяется из условий практической реализации. Диаметр оболочек большинства ТЭНов составляет 8-13 мм. В этом случае разность внешнего и внутреннего радиусов шайбы или штуцера составляет 2,0-3,25 мм. Введение этих дополнительных ферромагнитных элементов, включая гайки на штуцерах, снижает магнитные сопротивления воздушных зазоров между оболочкой и контактными стержнями за счет увеличения их площадей и снижения их длины.
В следующем варианте реализации полезной модели, для снижения магнитных сопротивлений указанных воздушных зазоров при вышеуказанной комбинации материалов оболочки и контактных стержней, дополнительные ферромагнитные элементы выполнены в виде отрезков оболочки, удлиняющих ее до такой величины, что наружные концы контактных стержней не выходят за пределы оболочки, и подсоединение контактных стержней к питающим проводам выполнено посредством неферромагнитных удлинителей.
Еще один вариант реализации полезной модели при магнитной проницаемости оболочки μ>500, и контактных стержнях, выполненных из ферромагнитного материала, включает дополнительные ферромагнитные элементы, снижающие магнитные сопротивления воздушных зазоров между концами контактных стержней и оболочкой, и выполненные в виде ферромагнитных лент или стержней, одни концы которых
присоединены с помощью крепежных гаек непосредственно к оболочке, а вторые концы закреплены через изоляторы на наружных концах контактных стержней.
Если при относительной магнитной проницаемости материала оболочки μ<500 используются контактные стержни из ферромагнитного материала, то вектора магнитной индукции поля спирали может быть недостаточно для намагничивания оболочки, по крайней мере, до технического насыщения. В этом случае, используются совместно один из вариантов, снижающих сопротивления воздушных зазоров между концами оболочки и контактными стержнями, а также ферромагнитный стержень длиной (0,01-0,1) длины спирали и диаметром (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали, введенный внутрь спирали на ее прямолинейном участке, и изолированный от ее витков, увеличивающий внешний намагничивающий поток спирали и вектор намагниченности оболочки.
Указанный прямолинейный дополнительный стержень в этих вариантах может быть закреплен на внутреннем торце контактного стержня или является его продолжением.
Техническим результатом приведенных решений является увеличение в сотни раз времени обработки воды собственным магнитным полем оболочки при относительно высокой температуре, и сокращение до нулевого значения интервала времени между обработкой воды и ее нагревом. При этом обработка воды магнитным полем в каждый момент времени осуществляется не в полном ее объеме, а только в ее части, попадающей в зону нагрева, а защита от накипи включается автоматически в момент подачи питающего напряжения на контактные стержни и работает без сбоя в течение всего срока службы ТЭНа.
3
2
3
4
Возможный механизм защиты от первичной накипи поверхности оболочки ТЭНа может протекать следующим образом. Поскольку граница раздела двух сред (поверхность нагрева - вода) находится в собственном магнитном поле, создаваемом ферромагнитной оболочкой ТЭНа, то выделение накипеобразователей происходит не на поверхности теплообмена в виде первичной накипи, а в объеме воды на границе двух сред в виде подвижного мелкодисперсного шлама. Кроме того, одним из продуктов коррозии ферромагнитных подводящих труб является гидроокись железа Fе(ОН)*nНО, которая в результате дегидратации при повышенной температуре может переходить в подкласс сложных оксидов железа FеO (магнетит). В отсутствие магнитного поля слой гидроокиси железа с поверхности теплообмена постоянно смывается водой. Если же поверхность теплообмена находится в магнитном поле, то гидроокись железа образует на ней изолирующий слой, препятствующий проникновению кислорода в более глубокие
слои без снижения ее теплопроводности. В этих условиях на поверхности оболочки образуется слой магнетита, который дополнительно защищает ее от коррозии.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, объясняющими распределение магнитного потока, создаваемого спиралью нагревательного элемента, и рисунками, на которых представлены примеры возможных выполнений ТЭНа с защитой от первичной накипи в соответствии с заявляемой полезной моделью. На рисунках приведены варианты выполнения полезной модели на U-образных ТЭНах, т.к. именно такая конструкция нашла наибольшее применение в водонагревателях различного назначения из-за удобства их крепления в баках водонагревателей.
На фиг.1 представлена схема магнитной цепи обычного U-образного ТЭНа, установленного на неферромагнитный бак водонагревателя; на фиг.2 показано распределение магнитного потока, создаваемого спиралью нагревательного элемента, между оболочкой (Фо) и между контактными стержнями (Фр) обычного U-образного ТЭНа; на фиг.3 представлена схема магнитной цепи обычного U-образного ТЭНа, установленного на неферромагнитный бак водонагревателя при неферромагнитных контактных стержнях; на фиг.4 и 5 схематически показан дополнительный ферромагнитный элемент в виде прямолинейного стержня, введенного внутрь спирали; на фиг.6 - 8 показаны варианты реализации полезной модели для U-образного ТЭНа с оболочкой из материала с относительной магнитной проницаемостью μ>500 и ферромагнитными контактными стержнями.
Общая схема магнитной цепи для U-образного ТЭНа, содержащего спираль нагревательного элемента 1, ферромагнитные контактные стержни 2, вместе со спиралью и наполнителем 3 запрессованные в ферромагнитную оболочку 4, и установленного на неферромагнитном баке 5 водонагревателя, имеет вид, показанный на фиг.1, и представлена следующими магнитными сопротивлениями:
Rm1 и Rm2 - магнитные сопротивления воздушных зазоров между концами контактных стержней 2 и оболочкой 4;
Rm3 - магнитное сопротивление воздушного зазора между концами контактных стержней 2, выходящими за пределы оболочки 4;
Rmc - внутреннее магнитное сопротивление воздушного магнитопровода спирали 1 нагревательного элемента.
На фиг.2 представлена схематическая картина распределения магнитного потока Фс, создаваемого спиралью нагревательного элемента, между двумя параллельными магнитными цепями, включающими магнитное сопротивление Rm3 и последовательно
соединенные магнитные сопротивления Rm1, Rm2. ТЭН крепится к неферромагнитному баку 5 водонагревателя, с водой 6, при помощи штуцеров 7 с крепежными гайками 8.
0
р
Магнитный поток Фс спирали 1 распределяется между концами контактных стержней 2 и оболочкой 4 в виде магнитного потока Ф и между концами контактных стержней 4 в виде магнитного потока Ф, обратно пропорционально магнитным сопротивлениям воздушных зазоров (Rm1+Rm2) и Rm3. Для увеличения магнитного потока проходящего через оболочку 4, необходимо уменьшить магнитные сопротивления Rm1 и Rm2, и увеличить магнитное сопротивление Rm3. При этом, магнитные сопротивления Rm1, Rm2 и Rm3 должны быть такой величины, чтобы магнитное поле, формируемое спиралью 1, намагничивало оболочку 4, по крайней мере, до ее технического насыщения.
Если контактные стержни выполнены из неферромагнитного материала, то общая схема магнитной цепи принимает вид, показанный на Фиг.3. В этом случае магнитный поток спирали 1 замыкается непосредственно с торцов спирали 1 через наполнитель (периклаз) 3 и оболочку 4. Магнитные сопротивления Rm1 и Rm2 воздушных зазоров между концами спирали 1 и оболочкой 4 снижены за счет малой длины и большого сечения этих зазоров, а магнитное сопротивление Rm3 равно практически бесконечности. Для ТЭНов, оболочки которых выполнены из материала с относительной магнитной проницаемостью μ>500, с неферромагнитными контактными стержнями, никаких дополнительных ферромагнитных элементов для намагничивания оболочки до технического насыщения здесь может не потребоваться при определенных соотношениях между внутренним сечением спирали и сечением оболочки. Поскольку на практике используются различные материалы для изготовления ферромагнитных оболочек ТЭНов, включая и необожженные материалы с μ<500, то для гарантированного намагничивания оболочки до технического насыщения, необходимо введение дополнительных ферромагнитных элементов, обеспечивающих увеличение магнитной индукции внешнего намагничивающего поля.
На фиг.4 и 5 показаны варианты выполнения дополнительного ферромагнитного элемента в виде прямолинейного стержня 9, введенного внутрь спирали 1 на ее прямолинейном участке, изолированного от ее витков, и имеющего длину (0,01-0,1) длины спирали и диаметром - (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали. Этот стержень 9 может быть соединен с контактным стержнем 2, или являться его продолжением, входящим внутрь спирали, как это показано на фиг.5. Введение такого элемента позволяет образовать замкнутую магнитную цепь, в которую включены спираль 1 с прямолинейным стержнем 9, контактные стержни 2, воздушные зазоры между концами
контактных стержней 2 и оболочкой 4, и оболочка 4. Введение указанного стержня обеспечивает увеличение магнитной индукции спирали (индукции внешнего намагничивающего поля) в К раз, где
μ - относительная магнитная проницаемость материала стержня 9, d - диаметр стержня, D - внутренний диаметр спирали. При d=0,2D, для μ=250, К=10. При d=0,8D, для μ=250, К=160. Коэффициент К характеризует увеличение индукции намагничивающего поля спирали за счет введения указанного стержня внутрь спирали, что обеспечивает гарантированное техническое насыщение оболочки.
На фиг.6 показан вариант образования магнитной цепи с включением в нее оболочки ТЭНа для материала оболочки с μ>500 и ферромагнитных контактных стержнях. В этом случае используются дополнительные ферромагнитные шайбы 10 или штуцер 7 с гайкой 8, закрепленные на концах оболочки 4. В торцах оболочки закреплены электрические изоляторы 11. Внешний диаметр этих шайб 10 или штуцеров 7 рассчитан из необходимой величины уменьшения магнитных сопротивлений Rm1 и Rm2, обеспечивающих увеличение магнитного потока оболочки 4, намагничивающего ее, по крайней мере, до технического насыщения, и должен превышать диаметр оболочки 4 не менее чем в 1,5 раза из конструктивных соображений.
На фиг.7 представлен другой вариант выполнения дополнительных ферромагнитных элементов, обеспечивающих снижение магнитных сопротивлений Rm1 и Rm2, и увеличение магнитного сопротивления Rm3, для обеспечения замыкания магнитного потока через оболочку ТЭНа. В этом варианте магнитные сопротивления воздушных зазоров Rm1 и Rm2 уменьшены за счет уменьшения их длины и увеличения их сечения. На этом рисунке введены дополнительные ферромагнитные элементы, выполненные в виде отрезков 12 оболочки 4, удлиняющих ее до такой величины, что концы ферромагнитных контактных стержней 2 не выходят за пределы оболочки 4. Для удобства подключения сетевых проводов к контактным стержням 2 используются электрические изоляторы 11 с неферромагнитными удлинителями 13.
Третий вариант выполнения дополнительных ферромагнитных элементов для оболочек из материала с μ>500 и для контактных стержней из ферромагнитного материала, представлен на фиг.8.
В этом варианте введены дополнительные ферромагнитные элементы, выполненные в виде лент или стержней 14, одни концы которых закреплены непосредственно на
оболочке 4, а другие концы - закреплены через электрические изоляторы 15 на концах контактных стержней 2 при помощи гаек 16 с шайбами 17.
Для образования магнитной цепи, намагничивающей оболочку ТЭНа до технического насыщения, для случая, когда материал оболочки имеет μ<500, а контактные стержни выполнены из ферромагнитного материала, ферромагнитных элементов в виде шайб 10 или штуцеров 7 с гайками 8 (показанных на фиг.6), или отрезков 12 оболочки 4, удлиняющих ее до величины, при которой концы контактных стержней 2 не выходят за пределы оболочки 4 (показанных на фиг.7), либо лент или стержней 14 (показанных на фиг.8), может быть недостаточно. В этом варианте, кроме снижения сопротивления воздушных зазоров Rm1 и Rm2., необходимо увеличить индукцию магнитного поля, создаваемого спиралью нагревательного элемента, посредством использования дополнительного прямолинейного стержня 9, введенного внутрь спирали, показанного на фиг.4 и 5.
Работа устройств может быть объяснена с использованием формулы для определения величины индукции магнитного поля, формируемого спиралью нагревательного элемента. Для упрощения объяснений используется формулы для постоянного тока I.
где
0
μ - магнитная постоянная;
I - ток спирали нагревательного элемента;
w - количество витков спирали нагревательного элемента;
1
(L+L) - длина силовой линии магнитной индукции по воздуху;
L - длина спирали;
1
L - длина силовой линии магнитной индукции по воздуху вне спирали.
Магнитное сопротивление каждого воздушного зазора магнитной цепи будет определяться по выражению:
где Li -  средняя длина i-го воздушного зазора; Si - среднее сечение i-ro воздушного зазора.
Магнитный поток спирали определяется по выражению:
где Sc - площадь внутреннего сечения спирали 1.
Для вариантов, показанных на фиг.1, 2, и 6:
Для вариантов, показанных на фиг.3, 7 и 8:
∑Ri=Rmc+Rm1+Rm2.
Магнитный поток Фс, формируемый спиралью, замыкается (см. фиг.1, 2 и 6) через цепь, включающую два воздушных зазора между концами контактных стержней 2 и оболочкой 4, саму оболочку 4 (Фо), и цепь в виде воздушного зазора между концами ферромагнитных контактных стержней 2 (Фр).
Магнитная индукция собственного магнитного поля оболочки будет определяться по выражению:
0
где S - площадь сечения оболочки 4.
Для намагничивания оболочки ТЭНа до технического насыщения при заданных параметрах спирали нагревательного элемента (Lc, w, I, Bc, Sc) необходимо создать условия для увеличения магнитной индукции поля, формируемого спиралью 1, и/или снижения магнитного потока Фр, не проходящего через оболочку 4.
Увеличить магнитную индукцию поля, формируемого спиралью 1, или увеличить средние сечения и уменьшить длину воздушных зазоров между концами ферромагнитных контактных стержней 2 и оболочкой 4 для снижения магнитного потока рассеяния Фр можно введением дополнительных ферромагнитных элементов.
1
На фиг.4 и 5 показано использование в качестве дополнительного ферромагнитного элемента прямолинейного стержня 9, длиной (0,01-0,1) длины спирали и диаметром (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали. Стержень 9 расположен внутри спирали 1 на прямолинейном ее участке, и изолирован от ее витков. Индукция магнитного поля Bc спирали с помещенным внутри нее ферромагнитным стержнем 9, определяется по выражению:
l
1
, где S - площадь сечения стержня 9; μ - относительная магнитная проницаемость материала стержня 9.
1
Как видно, ферромагнитный стержень, находящийся внутри спирали увеличивает магнитную индукцию поля пропорционально относительной магнитной проницаемости μ материала стержня, т.е., в несколько десятков раз (К). Магнитная индукция собственного магнитного поля оболочки из конструкционной стали без дополнительного стержня, рассчитанная по приведенным формулам, составляет, например, 0,16 Тл. Индукция насыщения для приведенного материала оболочки находится в диапазоне 1.5-1.7 Тл.
Отсюда, можно рассчитать диаметр дополнительного ферромагнитного стержня, который однозначно может обеспечивать намагничивание оболочки ТЭНа до технического насыщения. Длина стержня 9 определяется в основном технологией производства и принимается обычно величиной в несколько сантиметров. Кроме того, в качестве материала стержня 9 следует применять материал, точка Кюри которого превышает максимальную рабочую температуру стержня 9, в противном случае исчезает доменная структура ферромагнитных материалов, способность намагничиваться и создавать собственное магнитное поле. Указанный стержень 9 может быть  размещен на любом прямолинейном участке спирали 1, включая место у торца контактного стержня 2. Кроме того, стержень 9 может быть изготовлен, как элемент самого контактного стержня 2, как это показано на Фиг.5., если контактные стержни выполнены из ферромагнитного материала.
На фиг.6 показано выполнение дополнительных ферромагнитных элементов в виде шайб 10 или штуцеров 7 (с крепежной гайкой 8), закрепленных внутренними кольцами на концах оболочки 4. Расчеты и эксперименты показали, что условие намагничивания оболочки из материала с μ>500 до технического насыщения соблюдается, если внешний диаметр этих шайб 10 или штуцеров 7 превышает диаметр оболочки не менее чем в 1, 5 раза. Величина внешних диаметров шайб 10 или штуцеров 7 ограничивается только межосевым расстоянием между концами контактных стержней 2 U-образного ТЭНа и выбирается равным 0,5-0,8 межосевого расстояния между контактными стержнями 2. Такая конструкция ферромагнитных элементов обеспечивает уменьшение магнитных сопротивлений воздушных зазоров между концами контактных стержней 2 и оболочкой 4, т.е. сопротивлений Rm1 и Rm2 за счет увеличения средних сечений и уменьшения длины указанных воздушных зазоров. Магнитное сопротивление Rm3 остается при этом практически неизменным. Отсюда видно, что увеличение площади воздушных зазоров в несколько раз, во столько же раз снижает их магнитные сопротивления, увеличивая магнитный поток Фо, проходящий по оболочке ТЭНа. Соответственно, можно выбрать такие сопротивления этих зазоров, которые обеспечат намагничивание оболочки, по крайней мере, до технического насыщения.
На фиг.7 показан вариант выполнения дополнительных ферромагнитных элементов в виде отрезков 12 оболочки 4, удлиняющих ее до такой величины, что внешние концы контактных стержней 2 не выходят за пределы оболочки 4. В этом варианте ферромагнитные элементы 12 обеспечивают уменьшение магнитных сопротивлений Rm1 и Rm2 воздушных зазоров между концами контактных стержней 2 и оболочкой 4 за счет
уменьшения длины этих зазоров и увеличения площади их сечений. При этом магнитное сопротивление Rm3 становится равным бесконечности.
На фиг.8 дополнительные ферромагнитные элементы выполнены в виде лент или стержней 14, одни концы которых присоединены непосредственно к оболочке 4, а вторые концы закреплены через изоляторы 15 на концах контактных стержней 2 при помощи гаек 16 с шайбами 17. В этом случае также обеспечивается снижение сопротивлений Rm1 и Rm2 за счет уменьшения длины этих зазоров и увеличения площади их сечений.
Далее рассмотрим работу для вариантов ТЭНа, оболочки которых изготовлены из материала с μ<500, а контактные стержни изготовлены из ферромагнитного материала.
При малых значениях внешних диаметров оболочек (6-8 мм.) и, следовательно, малых значениях внутренних сечений спиралей Sc, или при низкой относительной магнитной проницаемости материала оболочки μ<500, и ферромагнитных контактных стержнях, магнитное поле спирали 1 может не обеспечить технического насыщения оболочки 4 ТЭНа при использовании указанных ферромагнитных элементов, показанных на фиг.6, 7, 8. Для решения возникшей проблемы необходимо усилить магнитное поле спирали 4 за счет введения ферромагнитного стержня 9 длиной (0,01-0,1) длины спирали и диаметром (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали, расположенный внутри спирали на прямолинейном ее участке и изолированный от ее витков (фиг.4). Указанный стержень 9 обеспечивает увеличение индукции магнитного поля спирали в К раз согласно приведенной ранее формуле (в несколько десятков раз) в зависимости от относительной магнитной проницаемости его материала, а также, отношения внутренних сечений спирали 1 и стержня 9. Совместное использование ферромагнитных элементов, варианты выполнения которых показаны на фиг.6, 7 и 8, и прямолинейного ферромагнитного стержня 9, введенного внутрь спирали, показанного на фиг.4 и 5, обеспечивает намагничивание оболочки 4 до технического насыщения и защиту ее от первичной накипи при такой комбинации материалов оболочки и контактных стержней.
Все перечисленные выше варианты построения ТЭНов U-образной формы распространяются на ТЭНы иной формы.