Т а б л и ц а 13
Допустимые удельные поверхностные мощности трубчатых электронагревателей (ТЭНов)
Название теплового |
Характер и условия |
процесса |
нагрева |
Нагрев воды |
В проточных и непро- |
|
|
точных водонагрева- |
|
|
телях |
|
|
|
Спокойная среда |
Нагрев воздуха |
' |
|
|
|
Движущийся |
воздух |
|
|
(в калориферах) |
Нагрев молока |
В емкостях |
|
Лучистый |
обогрев |
Облучателями |
с экра- |
животных и пти- |
нами при высоте под- |
ЦЫ |
бытовыми |
веса не менее 1,5 м |
Нагрев |
Нагреватели |
залиты |
электроплитками |
в металл конфорки |
|
Материал трубки |
АР д» |
|
|
|
Вт/см2 |
|
|
Медь, латунь, нержа- |
9— 11 |
|
|
веющая сталь |
|
|
|
Х18Н10Т |
|
|
( Стали 10 и 20, латунь |
1,2—1,8 |
|
{ |
Нержавеющая сталь |
2,3—5,0 |
|
{ |
Х18Н10Т |
|
|
( Стали 10 и 20 |
4.5— |
5,0 |
< |
Нержавеющая сталь |
4.5— |
5,5 |
\ Х18Н10Т |
|
|
|
Нержавеющая сталь |
1,5—2,0 |
|
|
Х18Н9Т |
|
|
|
Нержавеющая сталь |
5,0—6,0 |
|
|
Х18Н10Т |
|
|
|
Сталь 10 и 20 |
5,0— 7,0 |
|
Для соответствующих условий работы ТЭНов по табл. 13 выбирают допустимую удельную поверхностную мощность АРд и затем находят необходимую активную поверхность всех нагревателей Рл (м2):
Из каталогов электрооборудования выбирается нагреватель, соот ветствующий заданным условиям работы. Активная поверхность одного нагревателя Fal (м2):
где d — диаметр нагревателя, мм; |
м. |
/а — активная длина нагревателя, |
Требуемое количество нагревателей |
|
п= L l |
(21-4) |
F«Г |
|
В процессе эксплуатации ТЭНов необходимо следить за тем, чтобы корпуса нагревателей были надежно заземлены. Перед установкой нагревателя надо проверить сопротивление его изоляции, которое должно быть не менее 1 МОм в холодном и 0,5 МОм — в горячем со стояниях. Если сопротивление изоляции ниже этих норм, следует подсушить ее путем нагрева от посторонних источников тепла или подключением нагревателя на пониженное напряжение.
Трубчатые эмалированные сопротивления. При небольшой мощ ности нагревательного прибора применяются герметические нагрева тельные элементы без металлической оболочки, в которых нагрева тельное сопротивление в виде цилиндрической спирали небольшого диаметра запрессовано целиком в массу из электроизоляционного материала (асбоцемент, шамот, асбест и т. и.).
К таким нагревательным элементам относятся проволочные труб чатые эмалированные сопротивления типа ПЭ, применяемые, напри мер, в электробрудерах. Сопротивление состоит из трубчатого кера мического каркаса, на который намотана проволока из константана или нихрома, защищенная предохранительным слоем эмали.
Нагревательные провода и кабели. В тех случаях, когда необхо димо получить невысокие температуры нагрева (до 40—50 °С) и когда использование других нагревательных устройств затруднительно или нерационально, применяют специальные нагревательные провода и кабели.
Нагревательный провод представляет собой проволоку из мате риала с большим электрическим сопротивлением, покрытую тепло стойкой изоляцией. Иногда используется голая оцинкованная сталь ная проволока.
Нашей промышленностью выпускаются нагревательные провода типов ПОСХВ и ПОСХП (провод обогревательный сельскохозяйствен ный с винилитовой или полиэтиленовой изоляцией). Основные техни ческие данные этих проводов приведены в табл. 14.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 14 |
Технические данные нагревательных проводов |
ПОСХВ, ПОСХП |
|
и стальной |
проволоки |
|
|
Показатели |
|
Провод |
Стальная |
|
|
|
|
ПОСХВ |
ПОСХП |
проволока |
|
|
|
|
|
|
|
Наружный диаметр, |
мм |
|
2,9 |
2,3 |
1,8-5 |
Диаметр жилы, мм |
|
|
U |
1,1 |
1,8—5 |
Материал жилы |
|
|
Телеграфная катанка |
Сталь |
Изоляция |
|
|
Полихлор |
Полиэтилен |
— |
Допустимая рабочая |
температура |
жилы, |
винил |
|
|
До 60 |
До 90 |
До 300 |
°С |
|
|
|
|
|
Электрическое сопротивление 1 м провода |
0,174 |
0,194 |
0,15—0,02 |
при рабочей температуре, Ом |
|
|
|
|
Наибольшая удельная мощность, |
Вт/м |
9 - 1 0 |
12— 13 |
20—30 |
Нагревательные кабели в отличие от проводов имеют защитную оболочку от механических повреждений и агрессивных сред.
В сельскохозяйственном производстве нагревательные провода применяются для: 1) обогрева почвы и воздуха в парниках и тепли цах; 2) обогрева пола в станках для свиноматок и поросят, в цыплят никах, коровниках, на доильных площадках и т. п.; 3) подогрева питьевой воды для животных в зимнее время; 4) обогрева трубопрово
дов, например водопроводных вводов в животноводческие помещения,' 5) обогрева насестов для птицы.
Нагревательные элементы в зависимости от напряжения сети и требуемой мощности соединяют последовательно или параллельно, а также «звездой» или «треугольником». Согласно «Правилам эксплуа тации электроустановок» при мощности нагревательного устройства более 1 кВт оно должно выполняться трехфазным.
21.3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
Целью расчета элементных водонагревателей является определе ние мощности нагревательных элементов Р (Вт), сечения s (мм2) и длины I (м) нагревательного провода, а также температуры нагрева поверхности провода тр, при заданных часовой производительности
водонагревателя g (л/ч) |
и напряжении сети U (В). Расчет ведется |
в следующем порядке. |
|
Определяют количество тепла Q |
(кДж), необходимое для |
нагрева |
ния воды от начальной температу ры тн до конечной тк,
Q= mC(тк —ти), |
(21-5) |
где т — масса воды, кг; |
воды, |
С — теплоемкость |
кДж/(кг.°С)[С=4,1868« « 4 ,2 кДж/(кг-°С)].
Зная к. п. д. водонагревателя г] и продолжительность нагрева воды t (ч) от т„ до тк, находят расчетную мощность нагревателя Р (Вт):
Рис. 160. Кривые зависимости сечения нихромовой проволоки от величины тока при различных температурах на грева и горизонтальном положении проволоки в спокойной воздушной
среде (с температурой 15 °С).
По известным значениям мощности Р |
трехфазного нагревателя |
и фазного напряжения сети ІІфопределяют |
величину фазного тока / ф: |
Для определения сечения проволоки нагревательного элемента принимают для данного материала в соответствии с табл. 12 наиболь шую допустимую температуру нагрева ттах. Затем, пользуясь экспе риментальными кривыми ту = /( / ) , устанавливающими зависимость допустимой температуры ту от тока /, снятыми при определенных усло виях для различных сечений провода (рис. 160), находят по извест ным ттах и / ф сечение нагревательного провода s.
Действительная (рабочая) температура нагрева провода тр будет отличаться от ттах вследствие того, что расчетные условия работы нагревательного элемента не соответствуют действительным, а именно: кривые построены для случая, когда голая нагревательная проволока
расположена горизонтально и находится в спокойной воздушной среде при температуре 15—20 °С; фактически в элементных водонагре вателях используются трубчатые нагреватели, в которых спираль запрессована в кварцевом песке или окиси магния, что ухудшает усло вия ее охлаждения. Это обстоятельство учитывается коэффициентом монтажа К м (меньшие значения К м берутся для меньших диаметров
проволоки). |
|
F |
Коэффициент монтажа для некоторых конструкций нагревательного |
|
|
элемента |
|
Проволока, |
натянутая горизонтально в спокойном воздухе |
1 0 |
Проволочная спираль в спокойном воздухе |
0,8—09 |
Проволочная спираль на огнеупорном держателе |
о,7 ’ |
Проволока, |
навитая на огнеупорный держатель в спокойном 0,6—0 7 |
воздухе |
|
’ |
Нагревательное сопротивление между двумя слоями тепло- |
0,5 |
вой изоляции (закрытые электроплитки, некоторые трубча |
|
тые электронагреватели) |
|
Нагревательное сопротивление с мощной тепловой изоляци- 0,3—0,4 |
ей |
(трубчатые электронагреватели, электрообогреватели поч |
|
вы, |
пола) |
|
|
Улучшение |
теплоотдачи нагревательным элементом |
вследствие |
того, что он находится не в воздухе, а в воде, учитывается коэффи циентом среды Кс-
Некоторые значения коэффициента среды
Проволочная спираль в воздушном потоке Нагревательные элементы, погруженные в воду Нагревательные элементы, омываемые потоком жидкости
Таким образом, действительная температура проволоки нагрева тельных элементов будет равна
т |
р |
Xш ах |
( - ) |
|
Т Ж І |
21 8 |
Длина проволоки нагревательного элемента I (м) определяется из выражения для сопротивления одной фазы гф (Ом)
ІО» рт/
Гф
S
откуда
sUф
(21-9)
ЮѴт/ф ’
где pt удельное электрическое сопротивление проволоки (Ом-м) при действительной температуре нагрева тр, определяемое по формуле:1
Рт—Рго -с О+ атр)> |
( 21- 10) |
346
здесь а — температурный коэффициент сопротивления, принимаемый
п о табл. 12.
Пример. Определить мощность и геометрические размеры нихро-
м о в о й |
проволоки |
нагревательных |
элементов |
трехфазного водонагре |
в а т е л я |
емкостью |
V = |
200 л, |
если нагрев воды от тн = 5 °С до тк =■-- |
= 80 °С должен производиться за время t — 4 |
ч, к. п. д. водонагре |
в а т е л я |
г] = 0,92, а фазное напряжение сети |
и ф = 220 В. |
|
Количество тепла, |
необходимое для нагревания воды от 5 до 80 °С, |
Q= mC (тк —тн) = |
200 • 4,2 (80 —5) = 63 000 кДж |
(для воды т = V). |
Расчетная мощность трехфазного водонагревателя |
|
|
|
|
Q |
|
63 000 |
4,75103 Вт = |
4,75 кВт. |
|
|
|
3,Щ ~ |
3,6 • 4 • 0,92 |
|
|
|
|
|
|
|
Фазный ток нагревательного элемента |
|
|
|
|
|
|
|
/ |
|
4,75 • ІО» |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7,2Л. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3-220 |
|
|
|
Согласно табл. 12 |
максимально допустимая |
температура |
нагрева |
для нихромовой проволоки |
равна |
1150 °С; примем ттах = |
1000 °С. |
По кривой (рис. |
160), |
при температуре нагрева |
1000°С и токе 7,2 А |
находим сечение нихромовой проволоки s ^ |
0,5 мм2. |
|
Приняв |
коэффициент монтажа |
К м = 0,9 |
и |
коэффициент среды |
Кс = |
2,5, |
определим |
действительную температуру нагрева |
спирали |
|
|
|
|
|
_ max |
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
р~ к Ж |
0,9-2,5' =445 |
°С. |
|
|
В случае отсутствия воды в водонагревателе (аварийный режим) температура нагрева спирали составит
1000 =1110 “С.
0,9 =
то есть не достигнет предельно допустимой температуры для нихро мовой проволоки и перегорания нагревательного элемента не про изойдет.
Удельное сопротивление нихромовой проволоки при тр = 445 °С
pt = p20oC(1 + атр) = 1Д • ІО“« (1+0,00015-445) = 1,1710~« Ом ■м.
Длина проволоки нагревательного элемента одной фазы
sUm 0,5 • 10-« • 220
/==P ^ = U7-10-«-7,2=13,2 М-
При заданных условиях удельный расход электроэнергии на нагрев 1 л воды будет составлять
Г |
К |
4,75 • 4 |
0,1 кВт • Ч/Л. |
у ~ V |
200 |
