Расчет электрических нагревательных приборов
Нередко возникают ситуации, когда не удается использовать серийно выпускаемые электрические нагревательные приборы или, наоборот, есть серийные ЭН, но условия их применения не соответствуют номинальным. В этом случае возникает необходимость в предварительных расчетах для создания работоспособной конструкции или уверенной эксплуатации серийного образца.
Рассмотрим методику расчета ЭН:
Исходные данные: - необходимая полезная или номинальная мощность Рн;
- рабочее или номинальное напряжение Uн;
- возможные ограничения по габаритам;
- необходимая степень защиты.
Методика расчета
Определяем мощность электрической энергии, потребляемой ЭН из сети:
Рс = Рн / η,
где η – КПД электронагревательного прибора (таблица 18.1).
Примечание. При мощности ЭН > 5…10кВт и наличия 3/N АС 380В 50Гц
(промышленные предприятия, централизованное электроснабжение от
локомотива или вагона-электростанции) прибор (устройство) изготовляют в
трехфазном исполнении. При этом расчетная фазная мощность ЭН
составляет 1/3 Рн, а номинальное напряжение определяется в зависимости
от выбранной схемы соединений: звезда или треугольник.
Определяем максимальную температуру среды и материала ЭН:
По рабочей температуре тепловоспринимающей среды электрические нагреватели подразделяют на высокотемпературные (свыше 723 ºC) и низкотемпературные (ниже 723 ºC). В качестве материала резистора нагревателя обычно применяют хромоникелевые сплавы (нихромы), технические характеристики которых представлены в таблице 15.4.
|
|
|
Таблица 15.4. Основные параметры нихрома
 |
Марка материала Удельное сопротивление, Предельная температура,
Ом·м при 20ºC ºC
 |
Х18Н25С2 0,9·10-6 1023
Х25Н12 0,96·10-6 1023
Х18Н9Т 0,71·10-6 827
Х18Н24С2Л 1,0·10-6 1023
Х25Ю5 1,2·10-6 1223
Хромал (мегапир) 1,2·10-6 1123
Выбираем допустимую удельную поверхностную мощность ЭН:
[pуд] = pуд.эф · Кэф.изл · Кср,
где pуд.эф – эффективная мощность нагревателя в зависимости от температуры
тепловоспринимающей поверхности, Вт/м2 (смотри таблицу 15.5);
Кэф.изл –коэффициент эффективности излучения (смотри таблицу 15.6);
Кср - коэффициент учета влияния среды (смотри таблицу 15.7).
Примечания: 1).Для низкотемпературных ЭН принимают[pуд] = (4…6) · 104 Вт/м2;
2).В расчетах ТЭН железнодорожного подвижного состава принимают для
спирали из нихрома [pуд] = 8 · 104 Вт/м2, а для стальной трубки от 1,5 до
104 Вт/м2.
Таблица 15.5. Эффективная удельная мощность поверхности ЭН в функции от температуры среды
 |
Температура Вт / м2 при температуре нагревателя, ºC
среды, ºC
|
|
|
700 800 900 1000 1100
 |
200 5,5·104 8,5·104 12·104 16·104 21,5·104
300 5,2·104 8,2·104 11,6·104 15,3·104 20,1·104
400 5,0·104 6,8·104 10,2·104 14,4·104 19,3·104
500 1,0·104 3,1·104 7,0·104 11,9·104 14,3·104
600 - - - 3,9·104 8,2·104
Таблица 15.6. Коэффициент эффективности излучения
 |
Конструкция и размещение нагревателя Кэф.изл
|
Проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки 0,16…0,24
Проволочные спирали на полочках в трубках 0,30…0,36
Проволочные зигзагообразные (стержневые) нагреватели 0,60…0,72
Ленточные зигзагообразные нагреватели 0,38…0,44
Ленточные профилированные нагреватели 0,56…0,70
|
Таблица 15.7. Коэффициент учета влияния среды
 |
Среда Материал:
Нихром Сталь
|
Неподвижный воздух 1,0 1,0
Подвижный воздух (скорость > 5м/с) 2,0 2,5
Масло 1,0 1,25
Металл 2,0 2,0
Вода 3,0 6,0
|
Определяем геометрические размеры ЭН:
Для этого определяем предварительные значения сечения и длины проволоки или ленты. Уравнения, определяющие зависимость омического сопротивления от геометрического размера нагревателя и физических свойств материала, а также соотношение для определения необходимой поверхности нагревателя при допустимой удельной поверхностной мощности, имеют вид:
|
|
|
 |
U2н / Рн = 4 ρ·ℓ· (1 + αӨр) / π ·d2
(15-1)
π ·d·ℓ = Рн / [pуд]
|
где ρ –удельное сопротивление сплава (смотри таблицу 15.4);
ℓ - длина проволоки или ленты;
α - термический коэффициент сопротивления (для нихрома α = 0,00011);
Өр- рабочий перегрев сплава относительно условной температуры окружающей
среды, принимаемой равной 20 ºC;
d - диаметр проволоки нагревателя.
После решения системы уравнений (15-1) получаем геометрические размеры нагревательного элемента, которые корректируем для применения стандартных сечений (таблица 15.8):
 |
3 U2н · Р
ℓ = 4 ρ · π · [pуд] · (1 + α Өр)
3 4Р2 ρ · (1 + α Өр)
d = π2 · [pуд] U2н
Таблица 15.8. Стандартные размеры проволок и лент из сплавов
Диаметр проволоки, мм: Размеры сечения ленты, мм:
 |
2,0 2,2 2,5 2,8 2,0 х 10 1,5 х 15 2,0 х 15 2,2 х 20
3,2 3,6 4,0 4,5 2,5 х 20 3,0 х 20 2,2 х 25 2,5 х 25
5,0 5,6 6,3 7,0 3,0 х 25 2,2 х 30 2,5 х 30 3,0 х 30
8,0 9,0 10,0 11,0 2,2 х 36 2,5 х 36 2,2 х 40 2,5 х 40
12,0 13,0 14,0 15,0 3,0 х 40
|
В конструкции нагревателя желательно учесть рекомендации практики:
- выполнить в виде спирали, навиваемой на оправку, диаметр которой больше диаметра проволоки от 8 до 10 раз;
|
|
|
- спираль, при укладке в футеровку, растягивается до образования зазоров между витками не менее 2-х диаметров проволоки;
- реальное количество витков спирали нагревателя должно быть больше расчетного на 20…25 витков.
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!