Практичне заняття №4

Тема: Розрахунок електронагрівальних установок непрямого нагрівання опором.

Навчальна мета:

Знати: Сутність непрямого електронагрівання опором. Вимоги до матеріалів та конструкцію нагрівальних елементів.

Уміти: Розраховувати нагрівальні елементи за робочим струмом і таблицями струмових навантажень.

Основні питання заняття

1. Розрахунок електронагрівачів опором, виконаних у вигляді спіралей із дроту за робочим струмом і таблицями струмових навантажень.

2. Вибір трубчастих нагрівників (ТЕНів).

Література:

1. Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электротехнология и электрическое освещение. – М.: Агропромиздат, 1990. – 303 с.

2. Кудрявцев Н.Ф. Электрооборудования и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок. – М.: Агропромиздат, 1988. – 480 с.

3. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. – М: Высш. шк., 1988. - 336 с.

1. Розрахунок електронагрівачів опором, виконаних у вигляді спіралей із дроту за робочим струмом і таблицями струмових навантажень.

Непряме нагрівання опором (елементне) застосовується для нагрівання провідникових і діелектричних матеріалів.

Матеріали із яких виготовляють нагрівальні елементи повинні бути жароміцні, жаростійкі, мати великий питомий опір для отримання компактних нагрівальних елементів, мати малий коефіцієнт температурного опору α ( для того щоб їх потужність незначно змінювалась при змінах температури). Найкращі матеріали для нагрівальних елементів – це ніхроми та фехралі. Стальні нагрівальні елементи, які характеризуються великими значеннями коефіцієнта температурного опору α застосовується тільки в низькотемпературних установках.

Електронагрівачі опором за конструкцією поділяють на відкриті, закриті, герметичні.

Відкриті – проволочена спіраль (або стрічка) із ніхрому закріплена на жаростійких ізоляторах, закриті – те ж саме, але захищена кожухом, герметичні – спіраль ізольована від доступу середовища діелектриком та металевою трубкою.

Нагрівальними елементами відкритого типу обладнуються електрокалориферні установки.

Основною задачею розрахунку нагрівальних елементів, виконаних у вигляді спіралей, виконаних із дроту, є визначення геометричних розмірів нагрівального елементу. Їх розраховують за робочим струмом та таблицями струмових навантажень.

Порядок розрахунку нагрівального елементу (НЕ), виконаного з дроту:

1. За відомою потужністю нагрівача визначають робочий струм НЕ.

2. Вибирають робочу температуру ніхромового дроту відповідної марки.

3. За таблицею струмових навантажень визначають діаметр дроту.

4. Визначають довжину дроту одного НЕ.

5. Визначають параметри спіралі.

Задача 1. Розрахувати закритий електронагрівач опором (рис. 4.1) проточного нагрівача води для тварин в зимовий період. До його складу входять шість спіралей із ніхромового дроту. Потужність водонагрівача (нагрівального елемента) 12 кВт, початкова температура води 5°С, кінцева 18°С. Проточний нагрівач води підключений до трифазної мережі з напругою 380/220 В, межі зміни потужності нагрівача – 50-100%. Для спіралей використаний ніхром марки Х15Н60.

Рис. 4.1. Закритий електронагрівач опором:

1 – захисний металевий кожух; 2 – спіраль, виконана із ніхромового дроту;

3 – керамічний циліндр з пазами.

Питомий опір ніхрому при 20°С: ρ₂₀ = 1,1∙10^-6 Ом·м;

Температурний коефіцієнт опору ніхрому α = 16,3∙10^-6°С^-1.

Допустима температура нагрівання ніхрому θ_доп = 1000°С.

Розв’язання:

1. Електронагрівач поточного водонагрівача представляє собою трифазне симетричне навантаження, фазами якого є нагрівальні спіралі, еквівалентна електрична схема якого представлена на рис. 4.2.

2. Вибираємо схему з’єднання нагрівальних спіралей – «зірка» (довільно).

3. Для регулювання потужності нагрівача в межах 50-100% розмістимо в кожній фазі по дві нагрівальні спіралі, які можна вмикати паралельно або послідовно.

Рис. 4.2. Еквівалентна розрахункова електрична схема електронагрівача:

R_СП – активний опір спіралі, Ом; І_СП – струм спіралі, А;

І_ф – струм у фазі нагрівального елемента, А;

U_н – номінальна напруга живлення нагрівального елемента, В.

U_н = U_л = 380 В.

При паралельному ввімкненні спіралей потужність електронагрівача максимальна Р = 100%, а при послідовному ввімкненні – 50%.

4. Визначимо потужність однієї нагрівальної спіралі:

;

де: Р – потужність електронагрівача, Вт.

P = 12 кВт;

n – кількість нагрівальних спіралей; n = 6,

кВт.

5. Визначимо струм в нагрівальній спіралі:

;

де: (при паралельному з’єднанні спіралей) (для схеми з’єднання «зірка»).

Тоді:

В;

А.

6. Вибираємо робочу температуру нагрівальної спіралі, виконаної з ніхрому марки Х15Н60 θ = 500°С. Як відомо, вона не повинна перевищувати допустиму (θ_доп = 1000°С).

7. Визначимо розрахункову температуру ніхромової спіралі в процесі роботи:

де: K_м – коефіцієнт монтажу;

K_c – коефіцієнт середовища.

Значення K_м і K_c наводяться в довідникових таблицях.

Так, для спіралі, виконаної з дроту та розміщеної на жаростійкому тримачі K_м = 0,8; а для нагрівального елементу, які омиваються потоком рідини K_c = 2,5.

Тоді:

°С.

Скориставшись таблицею струмових навантажень на ніхромовий дріт (табл. 4.1) за робочою температурою та робочим струмом спіралі θ_р = 1000°С і I_СП = 9 А, знаходимо діаметр ніхромового дроту: d = 0,65 мм, площа поперечного перерізу дроту S = 0,33 мм².

Таблиця 4.1

Діаметр проволоки, мм	Площа перерізу, мм^2	Допустимі струмові навантаження (А) при розрахунковій температурі (°С)
		200 °С	400 °С	600 °С	700 °С	800 °С	900 °С	1000 °С
5,00	19,6	52	83	105	124	146	173	206
1,00	0,785	4,85	7,70	10,80	12,10	14,30	16,80	19,20
0,65	0,3320	2,82	4,40	6,30	7,15	8,25	9,30	10,75
0,50	0,1960	2,00	3,15	4,50	5,20	5,90	6,75	7,70

8. Визначимо довжину ніхромової проволоки, з якої виконана спіраль:

;

де: U_СП – напруга на затискачах спіралі, В;

S – площа перерізу ніхромового дроту, м²;

ρ – питомий опір ніхромового дроту при робочій температурі, Ом∙м;

ρ = ρ₂₀·[1 + α·(Θ – 20)];

θ – робоча температура проволоки θ = 500°С;

ρ₂₀ – питомий опір дроту при 20°С; ρ₂₀ = 1,1∙10^-6 Ом·м;

α – температурний коефіцієнт опору ніхрому α = 16,3∙10^-6°С^-1.

Тоді:

м.

9. Визначимо параметри спіралі:

Рис. 4.3. Параметри спіралі:

1. Діаметр витка: D = (8…10)·d = 10∙0,65 = 6 мм.

2. Крок спіралі h = (2…4)·d = 4∙0,65 = 2,5 мм.

3. Кількість витків:.

4. Довжина спіралі: cм.

2. Вибір трубчастих нагрівників (ТЕНів).

Різновидом герметичних нагрівальних елементів є трубчасті нагрівальні елементи (ТЕН).

Рис. 4.4. Будова ТЕНа:

1 - контактний стержень; 2 – герметична втулка; 3 – металева трубка;

4 – ніхромова спіраль; 5 – діелектрик – периклаз (окис магнію).

Основною технічною характеристикою ТЕНа є допустима питома поверхнева потужність для поверхні трубки σ_доп [Вт/см²].

Структура умовного позначення ТЕНа:

1 – розгорнута довжина ТЕНа, см;

2 – умовне позначення довжини контактного стержня;

3 – зовнішній діаметр ТЕНа, мм;

4 – номінальна потужність ТЕНа, кВт;

5 – умовне позначення середовища, що нагрівається та матеріалу оболонки (В – води, ВС – повітря, ММ – масло);

6 – номінальна напруга, В;

7 – вид кліматичного виконання згідно ДСТУ;

8 – слово «експорт» – для ТЕНів, призначених для експорту;

9 – позначення стандарту.

Матеріал оболонки (мідь, латунь, вуглецева та нержавіюча сталь) визначає механічну міцність ТЕНа, його хімічну стійкість і залежить від призначення електронагрівача. ТЕНи з оболонкою з нержавіючої сталі, яка має підвищену жароміцність та корозійну стійкість застосовують для нагрівання агресивних середовищ, а також при роботі з температурою на оболонці ТЕНа, вищою за 450°С. ТЕНи з мідною оболонкою використовують при невеликих температурах в середовищах, які викликають корозію інших металів. Наприклад, для підігрівання води призначені ТЕНи з мідною трубкою, покритою оловом, нікелем або хромом. Стальні трубки використовують для виготовлення ТЕНів, які нагрівають сухе повітря, масло тощо при температурі оболонки яка не перевищує температуру 400-450°С. Для ТЕНів, що працюють при підвищеній вологості повітря температура яких може перевищувати 450°С найчастіше використовують трубки з високолегованої сталі.

Трубчастими нагрівальними елементами обладнуються елементні проточні та непроточні водонагрівачі типу УАП, САОС, САЗС; електрокалорифери типу СФОЦ, СФОО; припливно-витяжні вентиляційні установки з підігріванням припливного повітря типу ПВУ.

Задача 2. Вибрати ТЕНи замість ТЕНів, які вийшли з ладу для проточного водонагрівача ВНС-600/0,2…0,9. Потужність водонагрівача обладнаного трьома ТЕНами P = 12 кВт. Номінальна напруга живлення ТЕНа U_н = 220 В. Нагрівач приєднаний до трифазної мережі з напругою 380/220 В. Схема з’єднання ТЕНів «зірка».

Розв’язання:

Рис. 4.5. Принципіальна електрична схема проточного водонагрівача.

1. Виходячи з того, що ТЕНи працюють в потоці води, з таблиці 4.2 визначаємо допустиму питому поверхневу потужність для поверхні трубки ТЕНа, σ_доп = 10·10⁴ = 10⁵ Вт/м².

Таблиця 4.2

Середовище, що нагрівають	Характер нагрівання	Матеріал оболонки ТЕНа	Питома потужність не більше 10^4 Вт/м^2
Вода	Нагрівання та кипіння	Нерж. сталь	7…11
Повітря	Нагрівання в спокійному повітрі	Нерж. сталь	5…6
Молоко	Нагрівання до температури на оболонці ТЕНа до 110°С	Нерж. сталь	1,5…2,0

2. Розрахуємо площу поверхні нагрівання проточного водонагрівача, до складу якого входять три ТЕНи:

[м²],

де Р – потужність нагрівальної установки виконаної з трьох ТЕНів, кВт.

м².

Тоді:

кВт.

За каталогом «Трубчасті електронагрівачі» вибираємо нагрівач типу ТЕН-87, U-подібного виконання, номінальною потужністю 4 кВт, номінальною напругою живлення 220 В, розгорнута активна довжина 0,927 м, що відповідає розмірам робочої камери водонагрівача, діаметр трубки 13∙10^-3 м.

Контрольні питання

1. Поясніть сутність непрямого нагрівання опором.

2. Які властивості повинен мати матеріал, з якого виготовляють електронагрівачі опором?

3. Із яких матеріалів виготовляють електронагрівачі опором?

4. На які види поділяються електронагрівачі опором за конструктивним виконанням?

5. Поясніть будову трубчастого нагрівального елемента (ТЕНа).

6. Поясніть сутність методу розрахунку електронагрівачів опором, виконаних із дроту за робочим струмом і таблицями струмових навантажень.

7. За якими критеріями вибирають ТЕНи для електронагрівальних установок?