Расчет электронагревателей

Для выполнения расчета электронагревателя надо знать его мощность, допустимую удельную мощность на поверхности трубки тэна, номинальное напряжение, рабочую температуру и среду, в кото­рой будет работать нагреватель.

 

Мощность оборудования определяется на основании теплового расчета:

, (3.1)

где Q – максимальное тепло, подводимое к аппарату за время разогрева Q^I или стационарного режима Q^II (определяется из теплового баланса), Дж;

t – время разогрева или стационарного режима, с. Если Q ^I или Q^II имеет размерность кДж/ч, то t = 3600 с.

 

Мощность одного тэна Р_э определяется по формуле:

, (3.2)

где п – количество тэнов в аппарате, обусловленное назначением аппарата и схемой регулирования нагрева. Мощность одного ТЭНа в тепловом оборудовании общественного питания обычно не превышает 3…4 кВт.

При расчете важно правильно выбрать диаметр проволоки. При завышении его потребуется большая длина проволоки, что вызовет перерасход дорогостоящего материала и увеличе­ние габаритов нагревателя, при занижении диаметра – спираль быстрее перегорит.

Для выполнения расчета по таблице 3.1. выбираем допустимую удельную мощность W на поверхности трубки тэна в зависимости от рабочей среды.

Таблица 3.1

Рекомендуемые значения удельной мощности ТЭНов

Рабочая среда	Рекомендуемый материал оболочки тэна	Удельная Мощность W, Вт / м2
Вода   Жиры пищевые   Воздух	Нержавеющая сталь марки Х18Н10Т. Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием. Ст. 10, Ст. 20 с защитным покрытием.	11·104 3·104 2,2·104

 

По чертежу «Схема расположения электронагревателей» определяют полную длину электронагревателя L_полн, а затем активную длину после опрессовки L_a:

 

_, (3.3)

где L_n – длина пассивных концов трубки ТЭНа; принимается в пределах 0,04-0,05 м.

Длина активной части тэна до опрессовки L_а1 составляет:

, (3.4)

где g – коэффициент удлинения трубки после опрессовки; принимается равным 1,15.

По известному значению L_a1 определяют диаметр трубки корпуса тэна D:

, (3.5)

Диаметр трубки ТЭНа для теплового оборудования обычно имеет значения в пределах 8…20 мм. Если по расчету значение D оказалось меньше 8 мм, то его необходимо увеличить до указанных значений. Если D оказался больше 20 мм, то необходимо изменить форму ТЭНа с целью увеличения его длины. Выбранное значение D необходимо согласовать с преподавателем.

Электрическое сопротивление проволоки ТЭНа после опрессовки составляет

, (3.6)

где U – напряжение сети, U = 220 В.

Сопротивление проволоки ТЭНа до опрессовки составляет

R_o=R∙a_r,(3.7)

где a_r.– коэффициент изменения электрического сопротивления проволоки в результате опрессовки; принимается равным 1,3.

Зная R_o, можно вычислить диаметр и длинупроволоки спирали, пользуясь известными зависимостями:

, (3.8)

где d – диаметр проволоки, м; принимается в пределах от 0,0004 до 0,001 м;

S – сечение проволоки, м²;

L – длина проволоки спирали (активная), м.

Длина проволоки ТЭНа согласно формуле 3.8 будет равна:

, (3.9)

где d – принятый диаметр проволоки, м;

ρ – удельное сопротивление проволокипри рабочей температуре, определяемое по формуле, Ом×м²:

r= ρ₂₀ [1+а(t–20)], (3.10)

где ρ₂₀ – удельное сопротивление проволоки при 20 °С; по таблице 3.1.;

а – температурный коэффициент сопротивления; принимается
по табл. 3.1;

t – максимальная (предельная) температура нагрева проволоки спирали.

 

Таблица 3.1

Характеристики электротехнических сплавов

Марка сплава	Удельное сопротивление, при 20 оС, Ом∙м	Температурный коэффициент сопротивления, 1/оС	Допустимая температура, оС
Предельная	Рабочая
Х15Н60 Х20Н80 Х13Ю4 0Х27Ю5А	(1,06…1,16) 10-6 (1,03…1,13) 10-6 (1,18…1,34) 10-6 (1,37…1,47) 10-6	0,17∙10-3 0,15∙10-3 0,15∙10-3 0,15∙10-3

Длина одного витка спирали в среднем составит

l _в=1,07p(d_ст+d), м, (3.11)

где 1,07 – коэффициент, учитывающий пружинность спирали при навивке;

d_ст – диаметр контактного стержня для навивки спирали.

 

Диаметр контактного стержня должен быть не менее 3 мм. Конкретное значение d_ст определяют исходя из обеспечения условий электроизоляции токоведущих частей ТЭНа с его корпусом. Толщина электроизоляционного слоя между поверхностью проволоки спирали, намотанной на контактный стержень, и внутренней стенкой корпуса ТЭНа должна быть не менее 3 мм.

 

 

Число витков спирали составит:

, (3.12)

Расстояние между витками равняется:

, (3.13)

Для нормального отвода тепла от спирали необходимо, чтобы расстояние между витками превышало диаметр проволоки спирали в два-три раза. Однако чем больше расстояние между витками, тем лучше условия работы спирали и тем она долговечнее.

Преобразуя формулу 3.13, получим коэффициентшагаспирали

= 2…3, (3.14)

Потребное количество проволоки для одного элемента с учетом навивки на концы контактных стержней по 20 витков составит.

, (3.15)