В практических расчетах часто применяют приближенные методы расчета нагревателей, основанные на использовании экспериментальных данных (в виде таблиц или графических зависимостей), которые отражают связь между силой тока нагрузки (Iн), температурой, размерами сечения и диаметром. Графические зависимости или табличные данные получены для определенных (стандартных) условий, когда проволока натянута горизонтально в спокойном воздухе при температуре 293 К.
Действительную температуру Тд поверхности приводят к расчетной Тр (табличной) при помощи коэффициентов монтажа и среды:
где kм и kc — коэффициенты монтажа и среды. Для стандартных условий kM = kc = 1.
Коэффициент монтажа учитывает ухудшение теплоотдачи в реальном нагревателе по сравнению со стандартными условиями, в которых получены табличные данные (kм ≤ 1). Для проволочной спирали в неподвижном воздухе kм = 0,8...0,9, для спирали на изоляционном каркасе (стержне) kм = 0,7, для спирали или провода в ТЭН, электрообогреваемом полу, почве, панели kм = 0,3...0,4.
Коэффициент среды учитывает улучшение теплоотдачи по сравнению со стандартными условиями за счет воздействия нагреваемой среды (kc ≥1). Для проволочной спирали, проволоки в подвижном воздухе kc = 1,1...4,0, для нагревателей защищенного и герметического исполнения в неподвижной воде kc =2,5, для нагревателей в подвижной воде kc = 2,8...3. Значения kc и kм для других условий работы приведены в справочной литературе.
Допустимые нагрузки на нихромовую проволоку, подвешенную горизонтально в спокойном воздухе при расчетной температуре
Действительная температура сопротивления (проволоки) в нагревателях открытого исполнения определяется технологическими условиями нагреваемой среды. Если температура теплоотдающей поверхности нагревателя не ограничивается нагреваемой средой, то действительную температуру нагревательного сопротивления принимают из условия Тд ≤ Тmax (Тmax — максимально допустимая температура нагревателя (проволоки)).
По принятой схеме соединения нагревателей силу тока одного нагревателя определяют по формуле
где Рф — фазная мощность ЭТУ, Вт, Uф — фазное напряжение сети, В, Nc—число параллельных ветвей (нагревателей) на одну фазу.
В соответствии с Тр и Iн по справочным таблицам определяют площадь сечения и диаметр.
Необходимую длину, м, нагревательной проволоки на одну секцию (нагреватель) находят по выражению
где ρт — удельное электрическое сопротивление проволоки при действительной температуре, Ом-м.
Практический интерес представляют методы расчета, используемые на специализированных предприятиях при изготовлении нагревателей герметического исполнения (ТЭН). Исходными данными для расчета ТЭН являются:
-
номинальная мощность
-
напряжение нагревателя,
-
активная длина его оболочки
-
нагреваемая среда.
Параметры оболочки ТЭН
Спираль для ТЭН рассчитывают в такой последовательности:
1. В соответствии с номинальной мощностью и развернутой длиной по справочной таблице выбирают необходимую активную поверхность нагревателя и определяют удельный поверхностный тепловой поток, Вт/см2, на наружной поверхности оболочки нагревателя:
Расчетный тепловой поток не должен превышать предельно допустимого значения, т.е. Фа ≤ Фа.доп.
2. Предварительно определяют диаметр, мм, нагревательного сопротивления (проволоки)
где Фа.доп.пр — допустимый удельный тепловой поток на поверхности проволоки, Вт/см2. Значение ФА доп.пр принимают по справочной таблице в зависимости от рабочей среды и характера нагрева.
По справочникам находят ближайший больший по сортаменту диаметр проволоки.
Допустимый удельный тепловой поток на поверхности нагревателя и проволоки
Параметры нихромовой проволоки (Х15Р60)
3. Номинальное сопротивление, Ом, спирали при рабочей температуре
4. Номинальное сопротивление, Ом, спирали при 293 К
5. Сопротивление спирали для намотки
где koбc — коэффициент, учитывающий изменение сопротивления проволоки в результате опрессовки методом обсадки.
6. Активная длина, м, нагревательной проволоки
где Rl — электрическое сопротивление 1 м проволоки, Ом/м
7. Действительный удельный тепловой поток, Вт/см2, на поверхности нагревательной проволоки
где Al — поверхность 1 м нагревательной проволоки, см2/м.
Если Фа.пр > Фа.доп.пр, то необходимо увеличить диаметр проволоки.
8. Активное число витков спирали
где lв — длина витка спирали, мм.
9. Общее число витков спирали с учетом необходимой навивки на концы контактных стержней из расчета 10 витков на конец стержня
10. Шаг спирали, мм, до обсадки
где lад — активная длина нагревателя до обсадки, мм.
Расчетное значение lш проверяют по условиям:
11. Общая длина спирали
