Calculul elementului de încălzire

Pentru a determina unul dintre parametrii principali ai firului elementului de încălzire - diametrul d, m (mm), sunt utilizate două metode de calcul: în funcție de puterea specifică de suprafață admisă PF și folosind tabelul sarcinilor curente.

Puterea de suprafață specifică admisă PF= P⁄F,

unde P este puterea încălzitorului cu fir, W;

F = π ∙ d ∙ l — suprafața încălzitorului, m2; l — lungimea firului, m.

Conform primei metode

unde ρd — rezistența electrică a materialului firului la temperatura reală, Ohm • m; U este tensiunea firului de încălzire, V; PF - valori admisibile ale puterii specifice de suprafață pentru diferite încălzitoare:

A doua metodă utilizează un tabel cu sarcinile curente (vezi Tabelul 1) compilat din date experimentale. Pentru a utiliza tabelul indicat, este necesar să se determine temperatura de încălzire calculată Tp raportată la temperatura reală (sau admisă) a conductorului Td prin raportul:

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td,

unde Km este factorul de instalare, ținând cont de deteriorarea condițiilor de răcire a încălzitorului din cauza construcției acestuia; Kc este factorul ambiental, având în vedere îmbunătățirea condițiilor de răcire a încălzitorului în comparație cu un mediu de aer staționar.

Pentru un element de încălzire din sârmă răsucită în spirală, Km = 0,8 … 0,9; la fel, cu o bază ceramică Km = 0,6 ... 0,7; pentru un fir de plăci de încălzire și unele elemente de încălzire Km = 0,5 ... 0,6; pentru un conductor dintr-o pardoseală electrică, sol și elemente de încălzire Km = 0,3 ... 0,4. O valoare mai mică de Km corespunde unui încălzitor cu un diametru mai mic, o valoare mai mare unui diametru mai mare.

Când funcționează în alte condiții decât convecția liberă, se ia Kc = 1,3 … 2,0 pentru elementele de încălzire din fluxul de aer; pentru elemente în apă plată Kc = 2,5; în debitul de apă — Kc = 3,0 … 3,5.

Dacă sunt setate tensiunea Uph și puterea Pf a viitorului încălzitor (proiectat), atunci curentul său (pe fază)

Iph = Pph⁄Uph

În funcție de valoarea calculată a curentului încălzitorului pentru temperatura calculată necesară a încălzirii acestuia conform tabelului 1, se găsește diametrul necesar al firului de nicrom d și lungimea necesară a firului, m, pentru fabricarea încălzitorului. se calculeaza:

unde d este diametrul firului selectat, m; ρd este rezistența electrică specifică a conductorului la temperatura reală de încălzire, Ohm • m,

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

unde αр — coeficient de rezistență la temperatură, 1/OS.

Pentru a determina parametrii spiralei nicrom, luați diametrul mediu al spirelor D = (6 … 10) ∙ d, pasul spiralei h = (2 … 4) ∙ d,

numărul de ture

lungimea spiralei lsp = h ∙ n.

La calcularea elementelor de încălzire, trebuie amintit că rezistența firului spiralat după apăsarea elementului de încălzire

unde k (y.s) este un coeficient care ține cont de reducerea rezistenței spiralei; conform datelor experimentale, k (s) = 1,25. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că puterea de suprafață specifică a firului spiralat este de 3,5 ... 5 ori mai mare decât puterea de suprafață specifică a elementului de încălzire tubular.

În calculele practice ale elementului de încălzire, determinați mai întâi temperatura suprafeței sale Tp = To + P ∙ Rt1,

unde este temperatura ambiantă, ° C; P este puterea elementului de încălzire, W; RT1 - rezistența termică la conductă - interfață medie, ОC / W.

Apoi se determină temperatura înfășurării: Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

unde Rt2 este rezistența termică a peretelui conductei, ОC / W; RT3 — rezistența termică a umpluturii, ОC / W; Rp1 = 1⁄ (α ∙ F), unde α este coeficientul de transfer termic, W / (m ^ 2 • ОС); F - suprafața încălzitorului, m2; Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F), unde δ este grosimea peretelui, m; λ — conductivitatea termică a peretelui, W / (m • ОС).

Pentru mai multe informații despre dispozitivul elementelor de încălzire, vezi aici: Elemente de incalzire. Dispozitiv, selecție, funcționare, conectare elemente de încălzire

Tabelul 1. Tabelul sarcinilor curente

Exemplul 1. Calculați încălzitorul electric sub forma unei spirale de sârmă în funcție de puterea de suprafață specifică admisă PF.

Condiție.Puterea încălzitorului P = 3,5 kW; tensiune de alimentare U = 220 V; materialul firului — nicrom Х20Н80 (un aliaj de 20% crom și 80% nichel), deci rezistența electrică specifică a firului ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; coeficientul de temperatură al rezistenței αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС; spirala este deschisă, sub formă metalică, temperatura de lucru a spiralei este Tsp = 400 ОC, PF= 12 ∙ 10 ^ 4 W / m2. Determinați d, lp, D, h, n, lp.

Răspuns. Rezistența bobinei: R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3500 = 13,8 ohmi.

Rezistenta electrica specifica la Tsp = 400 OS

ρ400 = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (400-20)] = 1,11 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m.

Aflați diametrul firului:

Din expresia R = (ρ ∙ l) ⁄S obținem l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ), de unde lungimea firului

Diametrul mediu al spiralei este D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0,001 = 0,01 m = 10 mm. Pasul spiralei h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm.

Numărul de spire ale spiralei

Lungimea helixului este lsp = h ∙ n = 0,003 ∙ 311 = 0,933 m = 93,3 cm.

Exemplul 2. Calculați structural rezistența firului de încălzire atunci când determinați diametrul firului d folosind tabelul sarcinilor curente (vezi tabelul 1).

Condiție. Puterea încălzitorului fir P = 3146 W; tensiune de alimentare U = 220 V; material de sârmă — nicrom Х20Н80 ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; αp = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ℃; spirală deschisă situată în fluxul de aer (Km = 0,85, Kc = 2,0); temperatura de funcționare admisă a conductorului Td = 470 ОС.

Determinați diametrul d și lungimea firului lp.

Răspuns.

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td = 0,85 ∙ 2 ∙ 470 OS = 800 OS.

Curentul de încălzire de proiectare I = P⁄U = 3146⁄220 = 14,3 A.

Conform tabelului sarcinilor curente (a se vedea tabelul 1) la Tр = 800 ОС și I = 14,3 A, găsim diametrul și secțiunea transversală a firului d = 1,0 mm și S = ​​0,785 mm2.

Lungimea firului lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

unde R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3146 = 15,3 Ohm, ρ800 = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (800-20) ] = ∙ 1.1. 10 ^ (- 6) Ohm • m, lp = 15,3 ∙ 0,785 ∙ 10 ^ (- 6) ⁄ (1,11 ∙ 10 ^ (- 6)) = 10,9 m.

De asemenea, dacă este necesar, similar cu primul exemplu, se pot defini D, h, n, lsp.

Exemplul 3. Determinați tensiunea admisă a încălzitorului electric tubular (TEN).

Stare... Bobina elementului de incalzire este realizata din sarma nicrom cu diametrul d = 0,28 mm si lungime l = 4,7 m. Elementul de incalzire este in aer calm cu temperatura de 20 °C. Caracteristicile nicromului: ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m; αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ° C. Lungimea părții active a carcasei elementului de încălzire este La = 40 cm.

Elementul de încălzire este neted, diametrul exterior dob = 16 mm. Coeficientul de transfer termic α = 40 W / (m ^ 2 ∙ ° C). Rezistențe termice: umplutură RT3 = 0,3 ОС / W, pereții carcasei Rт2 = 0,002 ОС / W.

Determinați ce tensiune maximă poate fi aplicată elementului de încălzire, astfel încât temperatura bobinei sale Tsp să nu depășească 1000 ℃.

Răspuns. Temperatura elementului de încălzire a elementului de încălzire

Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

unde este temperatura aerului ambiant; P este puterea elementului de încălzire, W; RT1 — rezistența termică de contact a interfeței conductă-mediu.

Puterea elementului de încălzire P = U ^ 2⁄R,

unde R este rezistența bobinei de încălzire.Prin urmare, putem scrie Tsp-To = U ^ 2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3), de unde tensiunea pe elementul de încălzire

U = √ ((R ∙ (Tsp-To)) / (Rt1 + Rt2 + Rt3)).

Găsiți R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d ^ 2),

unde ρ1000 = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (T-20)] = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1000-20)] = 1.12 ^∙ 1.12 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1000-20)] — 6) Ohm • m.

Atunci R = 1,12 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (4 ∙ 4,7) ⁄ (3,14 ∙ (0,28 ∙ 10 ^ (- 3)) ^ 2) = 85,5 Ohm.

Rezistența termică de contact RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

unde F este aria părții active a carcasei elementului de încălzire; F = π ∙ dob ∙ La = 3,14 ∙ 0,016 ∙ 0,4 = 0,02 m2.

Aflați Rt1 = 1⁄ (40 ∙ 0,02 = 1,25) OC / W.

Determinați tensiunea elementului de încălzire U = √ ((85,5 ∙ (1000-20)) / (1,25 + 0,002 + 0,3)) = 232,4 V.

Dacă tensiunea nominală indicată pe elementul de încălzire este de 220 V, atunci supratensiunea la Tsp = 1000 OS va fi de 5,6% ∙ Un.