Расчет конструктивных параметров нагревательного устройства

В качестве нагревательного устройства в электрокалориферах рекомендуется использовать герметические элементы (ТЭНы). Мощность одного ТЭНа Р_н определяется, исходя из мощности одного калорифера Р_к1 и числа Z_н ТЭНов в од­ном калорифере:

Р_н=Р_к1/Z_н

Число ТЭНов Z_н принимается кратным 3, причем мощ­ность одного ТЭНа при этом не должна превышать 3 - 4 кВт. Далее определяется рабочий ток нагревательного элемента с учетом схемы включения, а также расчетная температура t_расч нагревателя:

t_расч=t_д К_м К_с

где t_д—действительная температура нагревателя, °С;

  К_м —коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение ох­лаждения;

  К_с—коэффициент среды, учитывающий улучшение охлаж­дения.

Действительная температура (t_д) может быть предвари­тельно определена с учетом ее превышения над температурой поверхности ТЭНа на 50—100°С, значение коэффициентов К_ми К_с приведены в литературе [1].

По рабочему току и расчетному значению температуры по литературе [1] определяется диаметр (d) и сечение (S) наг­ревателя.

Рабочее сопротивление нагревателя—запрессованной нихромовой проволоки. Ом:

R_н=U_н/I_н

Сопротивление нагревателя до опрессовки:

R_он=R_н ,

где — коэффициент изменения сопротивления в результа­те опрессовки, =1,3.

Длина проволоки до опрессовки в м:

где _д—удельное сопротивление нихромовой проволоки при действительной температуре, Ом м.

Удельное сопротивление _д определяют по формуле

_д = ₂₀ [1+  (t-20)],

где ₂₀—удельное сопротивление материала при температу­ре 20°С, Ом.м;

—температурный коэффициент изменения сопротив­ления, 1/1°С.

Значение удельного сопротивления ( ₂₀) и температурно­го коэффициента ( ) для различных материалов электриче­ских нагревателей приведены в литературе [1].

Диаметр спирали (D_сп) равен, мм:

D_сп =(8-10)d;

 шаг спирали (в мм) равен:

h=(2-4)d;

 а число витков:

Внутренний диаметр трубки ТЭНа (D_н) равен:

D_н =(2,5-3) D_cп

Длина активной части трубки ТЭНа в м (L_а) после оп­рессовки равняется длине спирали (L_сп):

L_а= L_сп=10^-3 h n

а до опрессовки:              

L_оа=L_a/ ,

где —коэффициент, учитывающий изменение длины труб­ки при опрессовке,  =1,15.

Полная длина ТЭНа в м

L=L_a+2L_n

где  L_n— длина пассивной части трубки ТЭНа может быть принята равной L_n=0,05 м.

Потребное количество проволоки для одного ТЭНа с уче­том необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 15—20 витков на стержень:

_потр= +( 15 - 20) ,

В заключение этой части расчета определяется удельная мощность в Вт/см² поверхности активной части трубки ТЭНа:

W=Р_н/L_a D ,

которая для трубки, выполненной из стали Ст. 10, при ис­пользовании в качестве наполнителя кварцевого песка или периклаза должна составлять величину 3—5 Вт/см² при ра­боте ТЭНов в калориферах.

По полученным конструктивным данным на одном из ли­стов графического материала изображается сначала эскиз ТЭНа (разрез) с указанием основных размеров, а затем нуж­ное число ТЭНов компонуется в калорифере, эскиз которого также с указанием основных размеров приводится на этом же листе.

5. Тепловой расчет нагревательных элементов (ТЭНов)

В задачу теплового расчета ТЭНов входит определение действительной температуры и удельной (поверхностной) мощности нагревательной спирали и трубки ТЭНа.

По эскизу калорифера с учетом расположения ТЭНов (шахматное или коридорное) определяют живое сечение ка­лорифера F_к и по известной подаче вентилятора определяют скорость воздуха в м/с:

V_в=L_в/F_к

Скорость воздуха должна быть в интервале 6 – 11 м/с. Приняв для всех вариантов температуру воздуха на вы­ходе из калорифера t₂=50°С, определяют среднюю темпера­туру воздуха:

t_ср=(t₁+t₂)/2 ,

где t₁—средняя температура воздуха на входе в калорифер за период работы установки, °С.

Коэффициент теплоотдачи ( ) от ТЭНа к воздуху находится по методике, изложенной в литературе [1], или могут быть использованы следующие формулы.

Коэффициент теплоотдачи ( ) в Вт/(м² С) равен:

=

где N_u—критерий Нуссельта;

   — коэффициент теплопроводности воздуха, =0,027, Вт/(м °С);

  D_в—внешний диаметр трубки ТЭНа, м.