Perhitungan elemen pemanas

Untuk menentukan salah satu parameter utama kawat elemen pemanas - diameter d, m (mm), dua metode perhitungan digunakan: sesuai dengan daya permukaan spesifik yang diijinkan PF dan menggunakan tabel beban saat ini.

Daya permukaan spesifik yang diizinkan PF= P⁄F,

di mana P adalah kekuatan pemanas kawat, W;

F = π ∙ d ∙ l — area pemanas, m2; l — panjang kawat, m.

Menurut metode pertama

dimana ρd — hambatan listrik dari bahan kawat pada suhu aktual, Ohm • m; U adalah tegangan kawat pemanas, V; PF — nilai daya permukaan spesifik yang diizinkan untuk berbagai pemanas:

Metode kedua menggunakan tabel beban saat ini (lihat Tabel 1) yang disusun dari data eksperimen. Untuk menggunakan tabel yang ditunjukkan, perlu untuk menentukan suhu pemanasan yang dihitung Tp terkait dengan suhu aktual (atau yang diizinkan) dari konduktor Td dengan rasio:

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td,

di mana Km adalah faktor pemasangan, dengan mempertimbangkan penurunan kondisi pendinginan pemanas karena konstruksinya; Kc adalah faktor ambien, mengingat peningkatan kondisi pendinginan pemanas dibandingkan dengan lingkungan udara stasioner.

Untuk elemen pemanas yang terbuat dari kawat yang dipilin secara spiral, Km = 0,8 … 0,9; sama, dengan alas keramik Km = 0,6 ... 0,7; untuk kawat pelat pemanas dan beberapa elemen pemanas Km = 0,5 ... 0,6; untuk konduktor dari lantai listrik, tanah dan elemen pemanas Km = 0,3 ... 0,4. Nilai Km yang lebih kecil sesuai dengan pemanas dengan diameter lebih kecil, nilai lebih besar dengan diameter lebih besar.

Saat beroperasi pada kondisi selain konveksi bebas, Kc = 1,3 … 2,0 diambil untuk elemen pemanas dalam aliran udara; untuk unsur dalam air tenang Kc = 2,5; dalam aliran air — Kc = 3.0 … 3.5.

Jika tegangan Uph dan daya Pf pemanas masa depan (dirancang) diatur, maka arusnya (per fase)

Iph = Pph⁄Uph

Menurut nilai yang dihitung dari arus pemanas untuk suhu yang dihitung yang diperlukan dari pemanasannya menurut tabel 1, diameter yang diperlukan dari kawat nichrome d ditemukan dan panjang kawat yang dibutuhkan, m, untuk pembuatan pemanas dihitung:

di mana d adalah diameter kawat yang dipilih, m; ρd adalah hambatan listrik spesifik konduktor pada suhu pemanasan sebenarnya, Ohm • m,

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

dimana αp - koefisien suhu resistensi, 1/OS.

Untuk menentukan parameter nichrome spiral, ambil diameter rata-rata belokan D = (6 … 10) ∙ d, pitch spiral h = (2 … 4) ∙ d,

jumlah belokan

panjang heliks lsp = h ∙ n.

Saat menghitung elemen pemanas, harus diingat bahwa hambatan kawat spiral setelah menekan elemen pemanas

di mana k (y.s) adalah koefisien yang memperhitungkan pengurangan resistansi spiral; menurut data eksperimen, k (s) = 1,25. Juga harus diperhitungkan bahwa kekuatan permukaan spesifik dari kawat spiral adalah 3,5 ... 5 kali lebih besar dari kekuatan permukaan spesifik dari elemen pemanas tubular.

Dalam perhitungan praktis elemen pemanas, pertama-tama tentukan suhu permukaannya Tp = To + P ∙ Rt1,

dimana Itu adalah suhu sekitar, ° C; P adalah kekuatan elemen pemanas, W; RT1 — ketahanan panas pada pipa — antarmuka sedang, ОC / W.

Kemudian suhu belitan ditentukan: Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

di mana Rt2 adalah resistansi termal dari dinding pipa, ОC / W; RT3 — ketahanan panas pengisi, ОC / W; Rp1 = 1⁄ (α ∙ F), di mana α adalah koefisien perpindahan panas, W / (m ^ 2 • ОС); F — luas pemanas, m2; Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F), di mana δ adalah ketebalan dinding, m; λ — konduktivitas termal dinding, W / (m • ОС).

Untuk informasi lebih lanjut tentang perangkat elemen pemanas, lihat di sini: Elemen pemanas. Perangkat, pemilihan, pengoperasian, koneksi elemen pemanas

Tabel 1. Tabel beban saat ini

Contoh 1 Hitung pemanas listrik dalam bentuk spiral kawat sesuai dengan daya permukaan spesifik yang diijinkan PF.

Kondisi.Daya pemanas P = 3,5 kW; tegangan suplai U = 220 V; bahan kawat — nichrome Х20Н80 (paduan 20% kromium dan 80% nikel), oleh karena itu hambatan listrik spesifik kawat ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; koefisien suhu resistansi αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС; spiral terbuka, dalam bentuk logam, suhu kerja spiral adalah Tsp = 400 ОC, PF= 12 ∙ 10 ^ 4 W / m2. Tentukan d, lp, D, h, n, lp.

Menjawab. Resistensi koil: R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3500 = 13,8 ohm.

Hambatan listrik spesifik pada Tsp = 400 OS

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

Cari diameter kawat:

Dari ekspresi R = (ρ ∙ l) ⁄S kita mendapatkan l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ), dari mana panjang kawat

Diameter rata-rata putaran spiral adalah D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0,001 = 0,01 m = 10 mm. Pitch spiral h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm.

Jumlah putaran spiral

Panjang heliks adalah lsp = h ∙ n = 0,003 ∙ 311 = 0,933 m = 93,3 cm.

Contoh 2. Hitung hambatan kawat pemanas secara struktural saat menentukan diameter kawat d menggunakan tabel beban saat ini (lihat tabel 1).

Kondisi. Daya pemanas kawat P = 3146 W; tegangan suplai U = 220 V; bahan kawat — nichrome Х20Н80 ρ20 = 1,1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; αp = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ℃; heliks terbuka terletak di aliran udara (Km = 0,85, Kc = 2,0); suhu operasi konduktor yang diizinkan Td = 470 ОС.

Tentukan diameter d dan panjang kawat lp.

Menjawab.

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

Desain arus pemanas I = P⁄U = 3146⁄220 = 14,3 A.

Menurut tabel beban saat ini (lihat tabel 1) pada Tр = 800 ОС dan I = 14,3 A, kami menemukan diameter dan penampang kawat d = 1,0 mm dan S = ​​0,785 mm2.

Panjang kawat lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

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

Juga, jika perlu, mirip dengan contoh pertama, D, h, n, lsp dapat didefinisikan.

Contoh 3. Tentukan tegangan yang diijinkan dari pemanas listrik tubular (TEN).

Kondisi... Kumparan elemen pemanas terbuat dari kawat nichrome dengan diameter d = 0,28 mm dan panjang l = 4,7 m Elemen pemanas berada di udara diam dengan suhu 20 °C. Ciri-ciri nichrome: ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m; αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ° C. Panjang bagian aktif rumahan elemen pemanas adalah La = 40 cm.

Elemen pemanas halus, diameter luar dob = 16 mm. Koefisien perpindahan panas α = 40 W / (m ^ 2 ∙ ° C). Resistensi termal: pengisi RT3 = 0,3 ОС / W, dinding perumahan Rт2 = 0,002 ОС / W.

Tentukan tegangan maksimum apa yang dapat diterapkan pada elemen pemanas sehingga suhu koilnya Tsp tidak melebihi 1000 ℃.

Menjawab. Suhu elemen pemanas dari elemen pemanas

Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

dimana Itu adalah suhu udara sekitar; P adalah kekuatan elemen pemanas, W; RT1 — hubungi resistansi termal dari antarmuka pipa-media.

Kekuatan elemen pemanas P = U ^ 2⁄R,

di mana R adalah resistansi koil pemanas.Oleh karena itu, kita dapat menulis Tsp-To = U ^ 2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3), dari mana tegangan pada elemen pemanas

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

Temukan R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d ^ 2),

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

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

Resistansi termal kontak RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

di mana F adalah luas bagian aktif dari cangkang elemen pemanas; F = π ∙ dob ∙ La = 3,14 ∙ 0,016 ∙ 0,4 = 0,02 m2.

Cari Rt1 = 1⁄ (40 ∙ 0,02 = 1,25) OC / W.

Tentukan tegangan elemen pemanas U = √ ((85,5 ∙ (1000-20)) / (1,25 + 0,002 + 0,3)) = 232,4 V.

Jika tegangan nominal yang tertera pada elemen pemanas adalah 220 V, maka tegangan lebih pada Tsp = 1000 OS akan menjadi 5,6% ∙ Un.