Výpočet vykurovacieho telesa

Na určenie jedného z hlavných parametrov drôtu vykurovacieho telesa - priemer d, m (mm) sa používajú dva spôsoby výpočtu: podľa prípustného špecifického plošného výkonu PF a pomocou tabuľky prúdových zaťažení.

Prípustný špecifický povrchový výkon PF= P⁄F,

kde P je výkon drôtového ohrievača, W;

F = π ∙ d ∙ l — plocha ohrievača, m2; l — dĺžka drôtu, m.

Podľa prvého spôsobu

kde ρd — elektrický odpor materiálu drôtu pri skutočnej teplote, Ohm • m; U je napätie vykurovacieho drôtu, V; PF — prípustné hodnoty špecifického plošného výkonu pre rôzne ohrievače:

Druhá metóda využíva tabuľku prúdových zaťažení (pozri tabuľku 1) zostavenú z experimentálnych údajov. Na použitie uvedenej tabuľky je potrebné určiť vypočítanú teplotu ohrevu Tp vzťahujúcu sa na skutočnú (alebo prípustnú) teplotu vodiča Td pomerom:

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td,

kde Km je inštalačný faktor, berúc do úvahy zhoršenie podmienok chladenia ohrievača v dôsledku jeho konštrukcie; Kc je faktor okolia, zohľadňujúci zlepšenie podmienok chladenia ohrievača v porovnaní so stacionárnym vzduchovým prostredím.

Pre vykurovací článok vyrobený z drôtu stočeného do špirály, Km = 0,8 … 0,9; rovnaké, s keramickou základňou Km = 0,6 ... 0,7; pre drôt vykurovacích dosiek a niektorých vykurovacích prvkov Km = 0,5 ... 0,6; pre vodič z elektrickej podlahy, pôdy a vykurovacích telies Km = 0,3 ... 0,4. Menšia hodnota Km zodpovedá ohrievaču s menším priemerom, väčšia hodnota väčšiemu priemeru.

Pri prevádzke za iných podmienok ako je voľná konvekcia sa pre vykurovacie telesá v prúde vzduchu berie Kc = 1,3 … 2,0; pre prvky v stojatej vode Kc = 2,5; vo vodnom toku — Kc = 3,0 … 3,5.

Ak je nastavené napätie Uph a výkon Pf budúceho (navrhnutého) ohrievača, potom jeho prúd (na fázu)

Iph = Pph⁄Uph

Podľa vypočítanej hodnoty prúdu ohrievača pre potrebnú výpočtovú teplotu jeho ohrevu podľa tabuľky 1 sa zistí požadovaný priemer nichrómového drôtu d a požadovaná dĺžka drôtu m na výrobu ohrievača. sa počíta:

kde d je zvolený priemer drôtu, m; ρd je špecifický elektrický odpor vodiča pri skutočnej teplote ohrevu, Ohm • m,

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

kde αр — teplotný koeficient odporu, 1/OS.

Na určenie parametrov nichrómovej špirály vezmite stredný priemer závitov D = (6 … 10) ∙ d, stúpanie špirály h = (2 … 4) ∙ d,

počet otáčok

dĺžka špirály lsp = h ∙ n.

Pri výpočte vyhrievacích prvkov je potrebné pamätať na to, že odpor špirálového drôtu po stlačení vykurovacieho prvku

kde k (y.s) je koeficient, ktorý zohľadňuje zníženie odporu špirály; podľa experimentálnych údajov k (s) = 1,25. Malo by sa tiež vziať do úvahy, že špecifický povrchový výkon špirálového drôtu je 3,5 ... 5 krát väčší ako špecifický povrchový výkon rúrkového vykurovacieho telesa.

Pri praktických výpočtoch vykurovacieho telesa najskôr určte teplotu jeho povrchu Tp = To + P ∙ Rt1,

kde je teplota okolia, °C; P je výkon vykurovacieho telesa, W; RT1 – tepelný odpor na potrubí – rozhranie média, ОC / W.

Potom sa určí teplota vinutia: Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

kde Rt2 je tepelný odpor steny potrubia, ОC / W; RT3 — tepelný odpor plniva, ОC / W; Rp1 = 1⁄ (α ∙ F), kde α je koeficient prestupu tepla, W / (m ^ 2 • ОС); F - plocha ohrievača, m2; Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F), kde δ je hrúbka steny, m; λ — tepelná vodivosť steny, W / (m • ОС).

Viac informácií o zariadení vykurovacích telies nájdete tu: Vykurovacie telesá. Zariadenie, výber, obsluha, pripojenie vykurovacích telies

Tabuľka 1. Tabuľka prúdových zaťažení

Príklad 1. Vypočítajte elektrický ohrievač vo forme drôtenej špirály podľa prípustného špecifického plošného výkonu PF.

Podmienka.Výkon ohrievača P = 3,5 kW; napájacie napätie U = 220 V; materiál drôtu — nichróm Х20Н80 (zliatina 20 % chrómu a 80 % niklu), preto merný elektrický odpor drôtu ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; teplotný koeficient odporu αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС; špirála je otvorená, v kovovej forme, pracovná teplota špirály je Tsp = 400 ОC, PF= 12 ∙ 10 ^ 4 W / m2. Určite d, lp, D, h, n, lp.

Odpoveď. Odpor cievky: R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3500 = 13,8 ohmov.

Špecifický elektrický odpor pri Tsp = 400 OS

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

Nájdite priemer drôtu:

Z výrazu R = (ρ ∙ l) ⁄S dostaneme l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ), odkiaľ je dĺžka drôtu

Stredný priemer špirálového závitu je D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0,001 = 0,01 m = 10 mm. Rozstup špirály h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm.

Počet závitov špirály

Dĺžka špirály je lsp = h ∙ n = 0,003 ∙ 311 = 0,933 m = 93,3 cm.

Príklad 2. Štrukturálne vypočítajte odporový ohrievač drôtu pri určovaní priemeru drôtu d pomocou tabuľky prúdových zaťažení (pozri tabuľku 1).

Podmienka. Výkon ohrievača drôtu P = 3146 W; napájacie napätie U = 220 V; materiál drôtu — nichrom Х20Н80 ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; ap = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ℃; otvorená špirála umiestnená v prúde vzduchu (Km = 0,85, Kc = 2,0); prípustná prevádzková teplota vodiča Td = 470 ОС.

Určte priemer d a dĺžku drôtu lp.

Odpoveď.

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

Prúd projektovaného ohrievača I = P⁄U = 3146⁄220 = 14,3 A.

Podľa tabuľky prúdových zaťažení (pozri tabuľku 1) pri Tр = 800 ОС a I = 14,3 A nájdeme priemer a prierez drôtu d = 1,0 mm a S = 0,785 mm2.

Dĺžka drôtu lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

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

Tiež, ak je to potrebné, podobne ako v prvom príklade, môžu byť definované D, h, n, lsp.

Príklad 3. Určte prípustné napätie rúrkového elektrického ohrievača (TEN).

Stav... Cievka výhrevného telesa je vyrobená z nichrómového drôtu s priemerom d = 0,28 mm a dĺžkou l = 4,7 m. Výhrevné teleso je v nehybnom vzduchu s teplotou 20 °C. Charakteristika nichrómu: ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m; αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ° C. Dĺžka aktívnej časti krytu vykurovacieho telesa je La = 40 cm.

Výhrevné teleso je hladké, vonkajší priemer dob = 16 mm. Koeficient prestupu tepla α = 40 W / (m ^ 2 ∙ ° C). Tepelné odpory: výplň RT3 = 0,3 ОС / W, steny krytu Rт2 = 0,002 ОС / W.

Určte, aké maximálne napätie možno použiť na vykurovací článok, aby teplota jeho cievky Tsp nepresiahla 1000 ℃.

Odpoveď. Teplota vykurovacieho telesa vykurovacieho telesa

Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

kde je teplota okolitého vzduchu; P je výkon vykurovacieho telesa, W; RT1 — kontaktný tepelný odpor rozhrania potrubia a média.

Výkon vykurovacieho telesa P = U ^ 2⁄R,

kde R je odpor vykurovacej špirály.Preto môžeme písať Tsp-To = U ^ 2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3), odkiaľ pochádza napätie na vykurovacom telese

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

Nájdite R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d ^ 2),

kde ρ1000 = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (T-20)] = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1 000-20)] = 1,12 ∙ ^ 10 — 6) Ohm • m.

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

Kontaktný tepelný odpor RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

kde F je plocha aktívnej časti plášťa vykurovacieho telesa; F = π ∙ dob ∙ La = 3,14 ∙ 0,016 ∙ 0,4 = 0,02 m2.

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

Určte napätie vykurovacieho telesa U = √ ((85,5 ∙ (1000-20)) / (1,25 + 0,002 + 0,3)) = 232,4 V.

Ak je menovité napätie uvedené na vykurovacom telese 220 V, potom bude prepätie pri Tsp = 1000 OS 5,6 % ∙ Un.