Tính toán bộ phận làm nóng

Để xác định một trong những thông số chính của dây của bộ phận làm nóng - đường kính d, m (mm), hai phương pháp tính toán được sử dụng: theo công suất bề mặt cụ thể cho phép PF và sử dụng bảng tải trọng hiện tại.

Công suất bề mặt riêng cho phép PF= P⁄F,

trong đó P là công suất của dây nóng, W;

F = π ∙ d ∙ l — diện tích lò sưởi, m2; l — chiều dài dây, m.

Theo phương pháp đầu tiên

trong đó ρd — điện trở của vật liệu làm dây ở nhiệt độ thực tế, Ohm • m; U là điện áp dây nóng, V; PF — giá trị cho phép của công suất bề mặt cụ thể đối với các lò sưởi khác nhau:

Phương pháp thứ hai sử dụng bảng tải trọng hiện tại (xem Bảng 1) được tổng hợp từ dữ liệu thử nghiệm. Để sử dụng bảng được chỉ định, cần xác định nhiệt độ gia nhiệt tính toán Tp liên quan đến nhiệt độ thực tế (hoặc cho phép) của dây dẫn Td theo tỷ lệ:

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td,

trong đó Km là hệ số lắp đặt, có tính đến sự suy giảm các điều kiện làm mát của lò sưởi do cấu tạo của nó; Kc là hệ số xung quanh, xét đến sự cải thiện điều kiện làm mát của bộ sưởi so với môi trường không khí tĩnh.

Đối với phần tử gia nhiệt làm bằng dây xoắn theo hình xoắn ốc, Km = 0,8 … 0,9; như nhau, với nền sứ Km = 0,6…0,7; đối với dây của các tấm gia nhiệt và một số bộ phận gia nhiệt Km = 0,5 ... 0,6; đối với một dây dẫn từ sàn điện, đất và các bộ phận làm nóng Km = 0,3 ... 0,4. Giá trị Km nhỏ hơn tương ứng với bình nóng lạnh có đường kính nhỏ hơn, giá trị lớn hơn tương ứng với đường kính lớn hơn.

Khi hoạt động trong các điều kiện khác với đối lưu tự do, Kc = 1,3 … 2,0 được lấy cho các phần tử đốt nóng trong dòng không khí; đối với các nguyên tố trong nước tĩnh Kc = 2,5; trong dòng nước — Kc = 3,0 … 3,5.

Nếu điện áp Uph và công suất Pf của lò sưởi (được thiết kế) trong tương lai được đặt, thì dòng điện của nó (trên mỗi pha)

Iph = Pph⁄Up

Theo giá trị tính toán của dòng điện của lò sưởi đối với nhiệt độ tính toán cần thiết của quá trình gia nhiệt theo bảng 1, đường kính yêu cầu của dây nichrom d được tìm thấy và chiều dài dây cần thiết, m, để sản xuất lò sưởi được tính toán:

trong đó d là đường kính dây đã chọn, m; ρd là điện trở riêng của dây dẫn ở nhiệt độ đốt nóng thực tế, Ohm • m,

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

trong đó αр — hệ số nhiệt độ của điện trở, 1/HĐH.

Để xác định các tham số của vòng xoắn niken, hãy lấy đường kính trung bình của các vòng D = (6 … 10) ∙ d, bước của vòng xoắn h = (2 … 4) ∙ d,

số lượt

chiều dài xoắn ốc lsp = h ∙ n.

Khi tính toán các bộ phận làm nóng, cần nhớ rằng điện trở của dây xoắn ốc sau khi nhấn bộ phận làm nóng

trong đó k (y.s) là hệ số tính đến việc giảm lực cản của đường xoắn ốc; theo dữ liệu thực nghiệm, k (s) = 1,25. Cũng cần lưu ý rằng công suất bề mặt riêng của dây xoắn ốc lớn hơn 3,5 ... 5 lần so với công suất bề mặt riêng của bộ phận làm nóng hình ống.

Trong các tính toán thực tế của phần tử gia nhiệt, trước tiên hãy xác định nhiệt độ bề mặt của nó Tp = To + P ∙ Rt1,

trong đó It là nhiệt độ xung quanh, ° C; P là công suất của phần tử gia nhiệt, W; RT1 — điện trở nhiệt tại đường ống — giao diện trung bình, ОC / W.

Khi đó nhiệt độ của cuộn dây được xác định: Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

trong đó Rt2 là nhiệt trở của thành ống, ОC / W; RT3 — điện trở nhiệt của chất độn, ОC / W; Rp1 = 1⁄ (α ∙ F), trong đó α là hệ số truyền nhiệt, W / (m^2 • ОС); F — diện tích lò sưởi, m2; Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F), trong đó δ là độ dày của tường, m; λ — hệ số dẫn nhiệt của tường, W / (m • ОС).

Để biết thêm thông tin về thiết bị của các bộ phận làm nóng, xem tại đây: Các yếu tố làm nóng. Thiết bị, lựa chọn, vận hành, kết nối các bộ phận làm nóng

Bảng 1. Bảng phụ tải hiện tại

Ví dụ 1. Tính toán máy phát điện dạng xoắn dây theo công suất bề mặt riêng cho phép PF.

Tình trạng.Công suất máy sưởi P = 3,5 kW; điện áp nguồn U = 220 V; vật liệu dây — nichrom Х20Н80 (hợp kim gồm 20% crôm và 80% niken), do đó điện trở riêng của dây ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; hệ số nhiệt độ của điện trở αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС; đường xoắn hở, dạng kim loại, nhiệt độ làm việc của đường xoắn là Tsp = 400 ОC, PF= 12 ∙ 10^4 W/m2. Xác định d, lp, Đ, h, n, lp.

Trả lời. Điện trở cuộn dây: R = U^2⁄P = 220^2⁄3500 = 13,8 ôm.

Điện trở cụ thể tại Tsp = 400 OS

ρ400 = 1,1∙10^(-6)∙[1 + 16∙10^(-6)∙(400-20)] = 1,11∙10^(-6)Ôm •m.

Tìm đường kính của dây:

Từ biểu thức R = (ρ ∙ l) ⁄S ta được l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ), từ đó chiều dài của dây

Đường kính trung bình của vòng xoắn ốc là D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0,001 = 0,01 m = 10 mm. Bước xoắn ốc h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm.

Số vòng xoắn ốc

Chiều dài của đường xoắn là lsp = h ∙ n = 0,003 ∙ 311 = 0,933 m = 93,3 cm.

Ví dụ 2. Tính toán kết cấu bộ gia nhiệt điện trở dây khi xác định đường kính dây d bằng cách sử dụng bảng tải trọng hiện tại (xem bảng 1).

Tình trạng. Công suất làm nóng dây P = 3146 W; điện áp nguồn U = 220 V; vật liệu dây — nichrom Х20Н80 ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; αp = 16∙10^(-6)1/℃; xoắn hở nằm trong dòng không khí (Km = 0,85, Kc = 2,0); nhiệt độ hoạt động cho phép của dây dẫn Td = 470 ОС.

Xác định đường kính d và chiều dài của dây lp.

Trả lời.

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td = 0,85 ∙ 2 ∙ 470 HĐH = 800 HĐH.

Dòng điện thiết kế của bộ gia nhiệt I = P⁄U = 3146⁄220 = 14,3 A.

Theo bảng tải trọng hiện tại (xem bảng 1) ở Tр = 800 ОС và I = 14,3 A, ta tìm được đường kính và tiết diện của dây d = 1,0 mm và S = 0,785 mm2.

Chiều dài dây lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

trong đó R = U^2⁄P = 220^2⁄3146 = 15,3 Ôm, ρ800 = 1,1 ∙ 10^(- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10^(- 6) ∙ (800-20) ] = 1,11 ∙ 10^(-6) Ôm • m, lp = 15,3 ∙ 0,785 ∙ 10^(- 6) ⁄(1,11 ∙ 10^(- 6)) = 10,9 m.

Ngoài ra, nếu cần, tương tự như ví dụ đầu tiên, có thể xác định D, h, n, lsp.

Ví dụ 3. Xác định điện áp cho phép của lò sưởi điện hình ống (TEN).

Điều kiện... Cuộn dây của phần tử gia nhiệt được làm bằng dây niken có đường kính d = 0,28 mm và chiều dài l = 4,7 m, phần tử gia nhiệt ở trong không khí tĩnh có nhiệt độ 20 °C. Đặc tính của nichrom: ρ20 = 1.1 ∙ 10^(-6) Ohm • m; αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ° C. Chiều dài của phần hoạt động của vỏ bộ phận làm nóng là La = 40 cm.

Mâm nhiệt nhẵn, đường kính ngoài dob = 16 mm. Hệ số truyền nhiệt α = 40 W/(m^2∙°C). Điện trở nhiệt: phụ RT3 = 0,3 ОС / W, tường nhà Rт2 = 0,002 ОС / W.

Xác định điện áp tối đa nào có thể được áp dụng cho bộ phận làm nóng sao cho nhiệt độ cuộn dây Tsp của nó không vượt quá 1000 ℃.

Trả lời. Nhiệt độ phần tử gia nhiệt của phần tử gia nhiệt

Tsp = Đến + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

trong đó Nó là nhiệt độ không khí xung quanh; P là công suất của phần tử gia nhiệt, W; RT1 - điện trở nhiệt tiếp xúc của giao diện ống-trung bình.

Công suất của bộ phận làm nóng P = U ^ 2⁄R,

trong đó R là điện trở của cuộn dây đốt nóng.Do đó, chúng ta có thể viết Tsp-To = U^2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3), từ đó điện áp trên bộ phận làm nóng

U = √ ((R ∙ (Tsp-To))/(Rt1 + Rt2 + Rt3)).

Tìm R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d^2),

trong đó ρ1000 = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (T-20)] = 1,1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1000-20)] = 1,12 ∙ 10 ^ ( — 6) Ôm • m.

Khi đó R = 1,12 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (4 ∙ 4,7) ⁄ (3,14 ∙ (0,28 ∙ 10 ^ (- 3)) ^ 2) = 85,5 Ohm.

Điện trở nhiệt tiếp xúc RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

trong đó F là diện tích của phần hoạt động của vỏ phần tử gia nhiệt; F = π ∙ dob ∙ La = 3,14 ∙ 0,016 ∙ 0,4 = 0,02 m2.

Tìm Rt1 = 1⁄ (40 ∙ 0,02 = 1,25) OC/W.

Xác định điện áp của phần tử gia nhiệt U = √ ((85,5 ∙ (1000-20)) / (1,25 + 0,002 + 0,3)) = 232,4 V.

Nếu điện áp danh định được chỉ định trên bộ phận làm nóng là 220 V, thì quá điện áp ở Tsp = 1000 OS sẽ là 5,6% ∙ Un.