Методика розрахунку нагрівача з ніхромового дроту

Найбільш значною деталлю електротеплової установки є нагрівальний елемент. Основна складова частина приладів непрямого нагріву – резистор з високим питомим опором. А одним із пріоритетних матеріалів – хромонікелевий сплав. Так як опір ніхромового дроту високо, цей матеріал займає лідируюче місце в якості сировини для різних видів електротеплових установок. Розрахунок нагрівача з ніхромового дроту проводять з метою визначення розмірів нагрівального елементу.

Основні поняття

В цілому виробляти розрахунок нагрівального елементу з ніхрому необхідно по чотирьом обчислень: гідравлічному, механічному, тепловому і електричному. Але зазвичай підрахунки проводять лише в два етапи: по тепловим і електричним показниками.

До тепловим характеристикам відносяться:

• теплова ізоляція;
• коефіцієнт корисної дії по теплоті;
• необхідна Тепловіддаючим поверхню.

Основною метою розрахунку нихрома є визначення геометричних розмірів нагрівального опору.

До електричних параметрах обігрівачів є:

• напруга живлення;
• спосіб регулювання потужності;
• коефіцієнт потужності і електричний коефіцієнт корисної дії.

При виборі напруги живлення для пристроїв обігріву віддають перевагу тому, що несе мінімальну загрозу тваринам і обслуговуючому персоналу. Напруга мережі в установках сільського господарства становить 380/200 вольт з частотою струму 50 Герц. У разі застосування електроустановок в особливо сирих приміщеннях, при підвищеній електроопасності напруга слід знизити. Його значення мало б перевищувати 12, 24, 36 вольт.

Регулювати температуру і потужність нагрівача можна двома способами:

• змінюючи напругу;
• зміною величини опору.

Найбільш поширеним способом змінювати потужність є включення в роботу певного числа секцій трифазної установки. В сучасних нагрівальних установках потужність змінюють регулюванням напруги за допомогою тиристорів.

Розрахунок по робочому струму заснований на табличній залежності, яка пов'язує струмовий навантаження на провідник з ніхрому, його площа перетину і температуру.

Табличні дані були складені для дроту з ніхрому, яка натягалася в повітрі без урахування коливань і вібрацій при температурі 20 ° C.

Для того щоб перейти до реальних умов, в розрахунках необхідно використовувати поправочні коефіцієнти.

Алгоритм розрахунку для однофазних установок

Розрахунок спіралі з ніхрому слід проводити поетапно, використовуючи початкові відомості про нагрівачі: необхідна потужність і марка ніхрому.

Потужність однієї секції:

P – потужність установки, Вт;

m – кількість фаз, для однофазної m = 1;

n – число секцій в одній фазі, для установок потужністю близько 1 квт n = 1.

Робочий струм однієї секції нагрівача:

U – напруга мережі, для однофазних установок U = 220 в

Розрахункова температура дроту:

θд – допустима робоча температура, вибирається з таблиці 1 залежно від матеріалу, ° C.

Таблиця 1 – Параметри матеріалів для електричних нагрівачів.

Км – коефіцієнт монтажу, вибирають з таблиці 2 в залежності від конструктивного виконання.

Таблиця 2 – Коефіцієнт монтажу для деяких видів конструкцій нагрівачів в спокійному потоці повітря.

Роль коефіцієнта монтажу в тому, що він дає можливість враховувати підвищення температури нагрівача в реальних умовах у порівнянні з даними довідкової таблиці.

Кс – коефіцієнт навколишнього середовища, визначається з таблиці 3.

Таблиця 3 – Коефіцієнт поправки на деякі умови навколишнього середовища.

Коефіцієнт середовища дає поправку на поліпшення тепловіддачі через умови навколишнього середовища.Тому реальні результати розрахунків будуть трохи відрізнятися від табличних значень.

Діаметр d, мм і площа поперечного перерізу S, мм 2 вибирається по робочому струму і розрахункової температурі з таблиці 4

Таблиця 4 – Максимальне навантаження на ніхромовий дріт при 20 ° C, підвішену в спокійному повітрі горизонтально.

Довжина дроту однієї секції:

L = (U ф 2 S * 10 -6) / (ρ 20 [1 + α (θ р -20)] Рс x10 3)

ρ 20 – питомий опір при температурі 20 ° C, вибирається з таблиці 1;

α – температурний коефіцієнт опору, визначається з відповідного стовпчика в таблиці 1.

Визначаємо крок спіралі:

Крок спіралі впливає на продуктивність роботи. При його великих значеннях тепловіддача збільшується.

Кількість витків спіралі

W = (lx10 3) / (√h 2 + (πD) 2)

Якщо призначенням дротяного нагрівача є підвищення температури рідини, робочий струм збільшують в 1,5 рази від розрахункового значення. У разі розрахунку нагрівача з закритим типом робочий струм рекомендується знизити в 1,2 рази.

Класифікація нагрівачів по температурі

Нагрівачі по гранично допустимій температурі поділяються на п'ять класів:

1. 200 ° C. У цьому діапазоні температур найбільш широко поширене використання трубчастих електричних нагрівачів. Для того щоб в робочому просторі дотримувалася оптимальна температура, при монтажі ТЕНів необхідно приділити увагу їх правильному розташуванню.
2. Від 200 до 400 ° C. Використовуються стрічкові нагрівачі. Для створення необхідної температури в робочій камері охоплюють весь її периметр.
3. Від 400 до 600 ° C. Матеріалом для нагрівачів повинен служити лише резистивний елемент високого опору. Поширеними є константан, фехраль, нихром. З метою забезпечення необхідної температури нагрівач повинен бути відкритим для доступу повітря. Тому розташований всередині або зовні трубки.
4. Від 600 до 1250 ° C. У печах старого зразка використовується ніхром. Але в цьому діапазоні температур він значно поступається сплаву з алюмінію, заліза і хрому (фехралі). Тому в більш сучасних зразках печей ніхром замінений фехралю.
5. Від 1250 до 1700 ° C. Високотемпературні нагрівачі виготовляють з дисилицида молібдену, карбіду кремнію. Основним недоліком обігрівачів є їх дефіцит і висока вартість.

Параметри, що сприяють неполадок

Найбільш велика ймовірність виходу з ладу електричних нагрівачів внаслідок окислення поверхні нагрівального опору.

Фактори, які впливають на швидкість руйнування нагрівача:

• робоча температура;
• умови навколишнього середовища, в яких працює нагрівач;
• частота включень.

Через те, що електронагрівальні установки працюють з перевищенням допустимих значень цих параметрів, відбуваються найбільш часті поломки: обгорання контактів, порушення механічної міцності ніхромового дроту.

Ремонт нагрівального елементу з ніхрому здійснюється за допомогою пайки або скручування.