РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Основная задача при расчете
электрического нагревательного прибора с отдельными нагревателями сводится к
следующему.
Требуется нагреть заданное
количество материала известной теплоемкости с какой-либо начальной температурой
до определенной конечной температуры в заданное время. Исходя
из этих условий находят сечение и длину нагревателей, питаемых током
известного напряжения. Расчет обычно начинают с определения полезного
количества теплоты, кДж, необходимой для повышения температуры нагреваемого
материала до заданной величины без учета тепловых потерь Qпол=cm(tк−tн),
где m - масса нагреваемого материала, кг; tн - начальная температура материала, °C; tк - конечная температура материала, °C; c - удельная теплоемкость материала, кДж/(кг·°C) (табл. 15).
|
Таблица
15. Удельная теплоемкость некоторых материалов в интервале температур
0÷100°C |
|||
|
Материал |
Удельная теплоемкость, |
Материал |
Удельная теплоемкость, |
|
Алюминий |
0,91 |
Сталь |
0,5 |
|
Латунь |
0,38 |
Цинк |
0,4 |
|
Медь |
0,39 |
Вода |
4,2 |
|
Нейзильбер |
0,4 |
Дерево |
0,24-0,27 |
|
Никель |
0,45 |
Строительный
кирпич |
0,92 |
|
Олово |
0,23 |
Сухой песок |
0,71-0,92 |
|
Свинец |
0,13 |
Х/б ткань |
0,25 |
Определив полезное количество
теплоты, можно найти общее количество теплоты, кДж, необходимой для нагрева
изделия до заданной температуры с учетом излучения теплоты в окружающую среду, Q=Q/η, где η
- кпд нагревательного прибора (табл. 16).
|
Таблица 16. КПД электрических
нагревательных приборов |
|
|
Электрические нагревательные приборы |
КПД η |
|
Электрические печи сопротивления |
0,6-0,85 |
|
Кастрюли и чайники |
0,65-0,8 |
|
Аккумулирующие электрические водонагреватели |
0,85-0,95 |
|
Электроплитки закрытого типа |
0,6-0,8 |
|
Электронагрев форм для прессования |
0,5-0,7 |
|
Электроплитки открытого типа |
0,56 |
Мощность, кВт, нагревательного
прибора определяют по формуле P=0,0028kQобщ/t, где k -
коэффициент запаса (1,1÷1,3), учитывающий уменьшение напряжения сети,
старение нагревательных элементов, увеличение теплоемкости нагреваемого изделия
при повышении температуры; t - время нагрева изделий,
ч.
При мощности 5÷10 кВт
нагреватели изготовляют обычно однофазными. При больших мощностях для
равномерной загрузки сети нагреватели лучше делать трехфазными.
Затем по технологическим условиям
нагрева выбирают материал для нагревательных элементов по табл. 17.
|
Таблица
17. Проводниковые сплавы высокого сопротивления |
|||||||
|
Марка |
Максимальная |
Удельное |
Лента |
Проволока |
|
||
|
толщина, |
ширина, |
холодно- |
горяче- |
|
|||
|
Х23Ю5 |
1200 |
1,30-1,40 × 10−6 |
0,2-3,2 |
6-80 |
0,3-7,5 |
6-12 |
|
|
Х23Ю5Т |
1400 |
1,34-1,45 × 10−6 |
0,3-7,5 |
|
|||
|
Х27Ю5Т |
1350 |
1,37-1,47 × 10−6 |
0,5-5,5 |
|
|||
|
Х15Ю5 |
1000 |
1,24-1,34 × 10−6 |
0,2-7,5 |
|
|||
|
ХН70Ю |
1200 |
1,25-1,35 × 10−6 |
1,0-7,0 |
|
|||
|
Х15Н60 |
950 |
1,06-1,17 × 10−6 |
0,1-3,2 |
6-250 |
0,3-7,5 |
|
|
|
Х15Н60·Н |
1125 |
1,04-1,17 × 10−6 |
0,1-7,5 |
|
|||
|
Х20Н80·Н |
1200 |
1,04-1,15 × 10−6 |
0,1-7,5 |
|
|||
Расчет нагревательных элементов
начинается с выбора допустимой удельной поверхностной мощности, т. е.
мощности, выделяемой с единицы внешней поверхности нагревателя. Эта величина
показывает, какое количество тепла может быть отдано с единицы поверхности
нагревателя. Удельная поверхностная мощность зависит от температуры
нагреваемого материала, а также от конструктивного выполнения нагревателей.
Для высокотемпературных печей (при
температуре более 700÷800°C) допустимая удельная поверхностная мощность,
Вт/м2, равна βдоп=βэфα, где βэф - поверхностная мощность нагревателей в
зависимости от температуры тепловоспринимающей среды (принимается по табл. 18),
α - коэффициент эффективности излучения
(принимается по табл. 19).
|
Таблица
18. Эффективная удельная поверхностная мощность нагревателей в зависимости от
температуры тепловоспринимающей среды |
|||||||||||||
|
Температура |
βэф·104, Вт/см3, при температуре
нагревателя, °C |
|
|||||||||||
|
800 |
850 |
900 |
950 |
1000 |
1050 |
1100 |
1150 |
1200 |
1250 |
1300 |
1350 |
|
|
|
100 |
6,1 |
7,3 |
8,7 |
10,3 |
12,5 |
14,15 |
16,4 |
19 |
21,8 |
24,9 |
28,4 |
36,3 |
|
|
200 |
5,9 |
7,15 |
8,55 |
10,15 |
12 |
14 |
16,25 |
18,85 |
21,65 |
24,75 |
28,2 |
36,1 |
|
|
300 |
5,65 |
6,85 |
8,3 |
99 |
11,7 |
13,75 |
16 |
18,6 |
21,35 |
24,5 |
27,9 |
35,8 |
|
|
400 |
5,2 |
6,45 |
7,85 |
9,45 |
11,25 |
13,3 |
15,55 |
18,1 |
20,9 |
24 |
27,45 |
35,4 |
|
|
500 |
4,5 |
5,7 |
7,15 |
8,8 |
10,55 |
12,6 |
14,85 |
17,4 |
20,2 |
23,2 |
26,8 |
34,6 |
|
|
600 |
3,5 |
4,7 |
6,1 |
7,7 |
9,5 |
11,5 |
13,8 |
16,4 |
19,3 |
22,3 |
25,7 |
33,7 |
|
|
700 |
2 |
3,2 |
4,6 |
6,25 |
8,05 |
10 |
12,4 |
14,9 |
17,7 |
20,8 |
24,3 |
32,2 |
|
|
800 |
- |
1,25 |
2,65 |
4,2 |
6,05 |
8,1 |
10,4 |
12,9 |
15,7 |
18,8 |
22,3 |
30,2 |
|
|
850 |
- |
- |
1,4 |
3 |
4,8 |
6,85 |
9,1 |
11,7 |
14,5 |
17,6 |
21 |
29 |
|
|
900 |
- |
- |
- |
1,55 |
3,4 |
5,45 |
7,75 |
10,3 |
13 |
16,2 |
19,6 |
27,6 |
|
|
950 |
- |
- |
- |
- |
1,8 |
3,85 |
6,15 |
8,65 |
11,5 |
14,5 |
18,1 |
26 |
|
|
1000 |
- |
- |
- |
- |
- |
2,05 |
4,3 |
6,85 |
9,7 |
12,75 |
16,25 |
24,2 |
|
|
1050 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
2,3 |
4,8 |
7,65 |
10,75 |
14,25 |
22,2 |
|
|
1100 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
2,55 |
5,35 |
8,5 |
12 |
19,8 |
|
|
1150 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
2,85 |
5,95 |
9,4 |
17,55 |
|
|
1200 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
3,15 |
6,55 |
14,55 |
|
|
1300 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
7,95 |
|
|
Таблица
19. Значение коэффициента эффективности излучения |
|
|
Размещение нагревателей |
Коэффициент α |
|
Проволочные
спирали, полузакрытые в пазах футеровки |
0,16-0,24 |
|
Проволочные
спирали на полочках в трубках |
0,3-0,36 |
|
Проволочные
зигзагообразные (стержневые) нагреватели |
0,6-0,72 |
|
Ленточные
зигзагообразные нагреватели |
0,38-0,44 |
|
Ленточные
профилированные (ободовые) нагреватели |
0,56-0,7 |
|
|
|
Для низкотемпературных печей
(температура менее 200÷300°C) допустимую поверхностную мощность можно
принимать равной (4÷6)·104 Вт/м2.
После выбора материалов и допустимой удельной поверхностной мощности расчет
нагревательных элементов сводится к определению их размеров.
Диаметр, м,
нагревателя круглого сечения
|
d = |
3 √ |
4ρtP2 |
, |
|
π2U2βном |
где P - мощность нагревателей, Вт; U -
напряжение нагревателей, В; π = 3,14; ρt -
удельное сопротивление нагревательных элементов при различной температуре
нагрева:
ρt=ρ20κ ,
где κ -
поправочный коэффициент, который можно принимать для жаростойких и жаропрочных
сплавов в интервале температур от 20 до 1400°C равным
1,01÷1,1.
Длина, м,
круглого нагревателя
|
l = |
3 √ |
PU2 |
, |
|
4πρtβ2ном |
Толщина, м,
ленты нагревательного элемента прямоугольного сечения
|
a = |
3 √ |
ρtP2 |
, |
|
m(m+1)U2βдоп |
где m=b/a=(5÷15), b - ширина ленты
нагревательного элемента, м.
Длина, м,
нагревателя, изготовленного из материала прямоугольного сечения с отношением
сторон m, равна
|
l = |
3 √ |
2,5PU2m |
, |
|
(m+1)ρtβ2доп |
Расчет длины можно упростить, если
выбрать стандартные размеры диаметра или прямоугольного сечения нагревателя:
|
l = |
Rфs |
, |
|
ρt |
где s -
поперечное сечение нагревателя, мм2; Rф - сопротивление, Ом, нагревателя одной фазы:
|
Rф = |
U2ф |
, |
|
Pф·103 |
где Pф - мощность одной фазы нагревателя, кВт.
Диаметр спирали нагревателя
принимают: для хромоалюминиевых сплавов D=(4÷6)d;
для нихромов и его сплавов D=(7÷10)d.
Для устранения местных перегревов
спираль необходимо растянуть, чтобы расстояние между витками было в
1,5÷2 раза больше диаметра проволоки.
Определение размеров
нагревательных элементов из круглой нихромовой
проволоки.
Определяется сила тока, А,
нагревательного элемента по формулам:
|
для
однофазного тока
|
|
для
трехфазного тока
|
где U - линейное напряжение, В; P
- мощность нагревателей, кВт.
По силе тока нагревательного
прибора и табл. 21, 22 определяют
сечение нагревателей из нихромовой проволоки, а затем
по ранее приведенным формулам и их длину l.
Примечания:
1.
Если нагреватели находятся внутри нагреваемой жидкости, нагрузку можно
увеличить в 1,1-1,5 раза. 2.
При закрытом расположении нагревателей (например, в камерных электропечах)
необходимо уменьшить нагрузки в 1,2-1,5 раза. Меньший коэффициент берется для
более толстой проволоки, больший - для тонкой проволоки. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Таблица
20. Стандартные размеры проволок и лент из разных сплавов |
||
|
Диаметр |
Размеры |
Размеры |
|
2 |
2×10 |
2,2×30 |
|
2,2 |
1,5×15 |
2,5×30 |
|
2,5 |
2×15 |
3×30 |
|
2,8 |
2,2×20 |
2,2×36 |
|
3,2 |
2,5×20 |
2,5×36 |
|
3,6 |
3×20 |
2,2×40 |
|
4 |
2,2×25 |
2,5×40 |
|
4,5 |
2,5×25 |
3,0×40 |
|
5 |
3×25 |
- |