В ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ

Электронагревательные приборы относятся к электротермическим установкам (ЭТУ) нагрева сопротивлением. При проектировании такого рода установок проводится тепловой расчет ЭТУ и электрический расчет электронагревательных элементов (1). Основными задачами теплового расчета ЭТУ являются: определение полезной мощности, т.е. мощности, идущей на нагрев обрабатываемой среды, определение тепловых потерь, расчет температурных полей в объекте нагрева.

К статьям прихода энергетического баланса электронагревательных установок относятся электроэнергия, преобразуемая в теплоту в ЭТУ за вычетом электрических потерь. Расходные статьи включают полезную теплоту, идущую на нагрев, плавку или испарение обрабатываемого материала, и тепловые потери. Экспериментальное исследование нагрева среды в электронагревательных приборах позволяет определить составляющие энергетического баланса, найти энергетические характеристики ЭТУ и возможности их улучшения.

Теоретически необходимое количество энергии Q₁, Дж, для осуществления технологического процесса в ЭТУ без учета фазовых превращений, экзо- и эндотермических реакций определяется по формуле

Q₁ = cm (T₂-T₁), (1)

где с – удельная теплоемкость среды, Дж/(кг ∙ К);

m – масса нагреваемой среды, кг;

T₁, T₂ – начальная и конечная температура среды, К.

Потери в ЭТУ выражаются в виде

Q₂ = α ∙F∙( T₂-T₁)∙τ, (2)

где α – коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности ЭТУ в окружающую среду, Вт/(м² ∙ К);

F – площадь теплоотдающей поверхности, м²;

T₂, T₁ – температура сред отдающей и воспринимающей теплоту, К;

τ - время процесса, с.

Тепловой коэффициент полезного действия равен

µ_т= _Q2 (3)

1+ _Q1

Полезная мощность для электронагревательных установок периодического действия вычисляется по формуле

cm(T₂- T₁)

Р_пол= (4)

τ

Установленная (общая) мощность ЭТУ

Р_пол

Р_уст=k (5)

µ_э∙ µ_т

где µ_э – электрический КПД (для печей сопротивления µ_э=1);

k=1,1 – 1,3 – коэффициент запаса, учитывающий уменьшение напряжения сети, старение нагревательных элементов, увеличение теплоемкости нагреваемой среды при повышении температуры.

Установленную мощность можно определить экспериментально по показаниям ваттмера

Р_уст=U∙I∙cosφ (6)

где U, I – напряжение и ток, потребляемые электронагревательной установкой;

cosφ – коэффициент мощности.

При мощности электронагревательных установок до 5 – 10 кВт нагреватели изготовляют обычно однофазными. Расчет нагревательных элементов состоит из следующих основных этапов. Выбирается материал нагревательных элементов по (1). Выбирается допустимая удельная поверхностная мощность, которая зависит от температуры нагреваемого материала и конструктивного выполнения нагревателей. Для низкотемпературного нагрева (до 200-300٥) допустимую поверхностную мощность можно принимать равной β_доп= (4-6) ∙ 10⁴ Вт/м.

Затем определяются размеры нагревательных элементов.

Диаметр, м, нагревателя круглого сечения

4∙ρt∙P²

d= ³ (7)

π²∙ U²∙ β_доп

где Р – мощность нагревателей, Вт;

U – напряжение на нагревателях, В;

ρ_t = ρ₂₀ ∙ k – удельное сопротивление нагревательных элементов при различной температуре

k – поправочный коэффициент, который можно принимать для жаростойких и жаропрочных сплавов в интервале температур от 20 до 1400٥С равным 1,01 – 1,1

Длина, м, круглого нагревателя

P∙ U²

l = ³ (8)

4 π∙ ρt ∙ β²_доп

Расчет длины можно упростить, если выбрать стандартные размеры диаметра нагревателя:

R_Ф∙S

l = (9)

ρt

где S – поперечное сечение нагревателя, мм²;

R_ф – сопротивление, Ом, нагревателя одной фазы

(10)

Р_ф – мощность одной фазы нагревателя, кВт.

Стандартные сечения нагревателей даны в (1). Диаметр спирали нагревателя принимают: для хромоалюминиевых сплавов D = (4-6)d; для нихромов и его сплавов D = (7-10)d. Для устранения местных перегревов спираль растягивается так, чтобы расстояние между витками было в 1,5-2 раза больше диаметра проволоки.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема экспериментального стенда показана на рис.1. Электронагревательный прибор для нагрева воды 1 подключается к сети

Рис.1. Схема лабораторного стенда

1- электронагревательный прибор;

2- терморегулятор;

3- переключатель термопар;

4- цифровой милливольтметр.

переменного тока напряжением 220 В с помощью автомата SF. Прибор снабжен биметаллическим терморегулятором 2. Измерительные приборы позволяют контролировать потребляемый ток, напряжение и мощность электронагревателя. Температура нагреваемой жидкости к наружной поверхности корпуса электронагревательного прибора контролируется с помощью термопар ТП, подключаемых с помощью переключателя термопар 3 милливольтметру Ш4500. Температура окружающего воздуха измеряется с помощью термометра.