|
Электрический и конструктивный расчёты нагревательных элементов
Цель электрического расчёта нагревателей – определение их размеров (сечение и длины).
Исходные данные для расчёта: напряжение питания Uпит; мощность одного нагревателя Рн; условия работы нагревательных элементов, температурный режим.
Расчёт нагревателей основан на совместном решении, связывающих электрические и тепловые параметры нагревателей
, (3.44)
а также уравнение теплообмена при теплопередаче:
теплопроводностью
. (3.45)
конвекцией
. (3.46)
излучением
, (3.47)
где a1 – коэффициент эффективности излучения нагревателей; Руит; Рудк; Руди – удельные поверхностные мощности нагревателей при теплообмене теплопроводностью, конвекцией, излучением, Вт/см2.
Удельная поверхностная мощность определяется:
. (3.48)
Зная конкретные условия работы нагревателей можно определить Рудт; Рудк; Руди. Однако расчёты по формулам (3.48) носят приближенный характер.
Обозначим в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя Руд, а основные размеры определяем из следующих уравнений:
. (3.49)
Тогда:
. (3.50)
. (3.51)
Для нагревателей круглого сечения поперечный периметр нагревателя и площадь поперечного сечения нагревателя:
, . (3.52)
Подставив (3.52) в (3.51), можно определить диаметр нагревателя круглого сечения:
. (3.53)
По расчётному значению диаметра d подбирают ближайший, больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина же выбранного провода определяется по формуле:
. (3.54)
При рабочей температуре tраб >7000C рекомендуется применять для открытых нагревательных элементов проволоку диаметром d>5мм и ленту толщиной а>1,5 мм, так как малое сечение из-за окисления материала приводит к значительному сокращению срока службы нагревателей.
Основные параметры можно рассчитать упрощённо с использованием таблиц по значениям рабочего тока и расчётной температуре. Температуру рабочей поверхности нагревателя tраб принимают такой, чтобы она была больше технологически необходимой температуры материала.
Для расчёта открытого нагревателя круглого сечения используют следующие выражения:
. (3.55)
. (3.56)
По tрасч и I раб по таблице 3.1 определяют S сечение (мм2) и диаметр d (мм) проволоки.
Нагревательный провод может быть намотан в виде спирали или уложен равномерно на керамический каркас и защищён пластинами из жаропрочного электроизоляционного материала или металла, что повышает температуру элементов. Чтобы выбрать сечение нагревателя по таблице 3.1, находят расчётную температуру по формуле:
, (3.57)
где kм – коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение условий охлаждения нагревателя из-за его конструктивного исполнения; kс – коэффициент среды, учитывающий улучшение фактических условий охлаждения нагревателя по сравнению с неподвижной воздушной средой.
Для нагревательного элемента из проволоки, свитой в спираль, kм=0,8…0,9; свитой в спираль на керамическом основании – kм=0,6…0,7; для проволоки нагревательных плиток и некоторых трубчатых водонагревателей – kм=0,5…0,6; для проволоки лабораторных печей, электронагревателей пола и почв – kм=0,3…0,4. Меньшие значения kм соответствуют проволочным нагревателям меньшего диаметра, большие – большего диаметра.
Таблица 3.1 Допустимая нагрузка на нихромовую неизолированную проволоку, подвешенную горизонтально в спокойном воздухе при 20 ºС
Диаметр проволоки, мм
| Сечение, мм2
| Сила тока, А, при расчётной температуре, ºС
|
|
|
|
|
|
|
| 0,1
| 0,00785
| 0,10
| 0,47
| 0,63
| 0,72
| 0,80
| 0,90
| 1,00
| 0,2
| 0,03140
| 0,65
| 1,03
| 1,40
| 1,65
| 1,82
| 2,00
| 2,30
| 0,3
| 0,08500
| 1,05
| 1,63
| 2,27
| 2,70
| 3,05
| 3,40
| 3,85
| 0,4
| 0,12600
| 1,50
| 2,34
| 3,30
| 3,85
| 4,40
| 5,00
| 5,70
| 0,5
| 0,19500
| 2,00
| 3,15
| 4,50
| 5,20
| 5,90
| 6,75
| 7,70
| 0,6
| 0,34200
| 2,52
| 4,00
| 5,70
| 6,50
| 7,50
| 8,50
| 9,70
| 0,7
| 0,38500
| 3,10
| 4,80
| 9,95
| 7,80
| 9,10
| 10,30
| 11,80
| 0,8
| 0,50300
| 3,70
| 5,70
| 8,15
| 9,15
| 10,80
| 12,30
| 14,00
| 0,9
| 0,63600
| 4,25
| 6,70
| 9,35
| 10,45
| 12,30
| 14,50
| 16,50
| 1,0
| 0,78500
| 4,85
| 7,70
| 10,80
| 12,10
| 14,30
| 16,80
| 19,20
| 1,1
| 0,95000
| 5,40
| 8,70
| 12,40
| 13,90
| 16,50
| 19,10
| 21,50
| 1,2
| 1,13000
| 6,00
| 9,80
| 14,00
| 15,80
| 18,70
| 21,60
| 24,30
| 1,3
| 1,33000
| 6,60
| 10,90
| 15,60
| 17,80
| 21,00
| 24,40
| 27,00
| 1,4
| 1,54000
| 7,25
| 12,00
| 17,40
| 20,00
| 23,30
| 27,00
| 30,00
| 1,5
| 1,77000
| 7,90
| 13,20
| 19,20
| 22,40
| 25,70
| 30,00
| 33,00
| 1,6
| 2,01000
| 8,60
| 14,40
| 21,00
| 24,50
| 28,00
| 32,90
| 36,00
| 1,8
| 2,54000
| 10,00
| 16,90
| 24,90
| 29,00
| 33,10
| 39,00
| 43,20
| 2,0
| 3,14000
| 11,70
| 19,60
| 28,70
| 33,80
| 39,50
| 47,00
| 51,00
| 2,5
| 4,91000
| 16,60
| 27,50
| 40,00
| 46,60
| 57,50
| 66,50
| 73,00
| 3,0
| 7,07000
| 22,30
| 37,50
| 54,50
| 64,00
| 77,00
| 88,00
| 102,00
| 4,0
| 12,6000
| 37,00
| 60,00
| 80,00
| 93,00
| 110,00
| 129,00
| 151,00
| 5,0
| 19,6000
| 52,00
| 83,00
| 105,00
| 124,00
| 146,00
| 173,00
| 206,00
|
При работе в условиях, отличающихся от свободной конвекции, принимают kс=0,6…0,7 – для нагревателей элементов в воздушном потоке; kс=2,5 – в неподвижной воде; kс=3,0…3,5 – в потоке воды.
Температура рабочей поверхности нагревателя должна удовлетворять условию:
, (3.58)
где tmax- максимально допустимая температура нагревательного элемента.
Длина провода:
. (3.59)
где d – диаметр проволоки нагревателя, м; ρ – удельное сопротивление материала нагревателя при действительной температуре, Ом·м.
Используя допуски, регламентируемые требованиями особенностей конструкции и расчётные формулы производят компоновку рабочего пространства электротермической установки.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|