Najważniejszą częścią instalacji elektrotermicznej jest element grzejny. Głównym elementem pośrednich urządzeń grzewczych jest rezystor o dużej rezystancji. A jednym z priorytetowych materiałów jest stop chromowo-niklowy. Ponieważ rezystancja drutu nichromowego jest wysoka, materiał ten zajmuje wiodące miejsce jako surowiec różne typy instalacje elektrotermiczne. Obliczenia grzejnika wykonanego z drutu nichromowego przeprowadza się w celu określenia wielkości elementu grzejnego.
Ogólnie rzecz biorąc, konieczne jest obliczenie elementu grzejnego wykonanego z nichromu za pomocą czterech obliczeń: hydraulicznego, mechanicznego, termicznego i elektrycznego. Ale zwykle obliczenia przeprowadza się tylko w dwóch etapach: w oparciu o wskaźniki termiczne i elektryczne.
Charakterystyka termiczna obejmuje:
Głównym celem obliczenia nichromu jest określenie wymiary geometryczne opór cieplny.
DO parametry elektryczne grzejniki Czy:
Przy wyborze napięcia zasilania urządzeń grzewczych preferowane jest takie, które stwarza minimalne zagrożenie dla zwierząt i personelu obsługi. Napięcie sieciowe w instalacjach rolniczych wynosi 380/200 woltów przy częstotliwości prądu 50 Hz. W przypadku stosowania instalacji elektrycznych w miejscach szczególnie wilgotnych lub w przypadku zwiększonego zagrożenia porażenia prądem elektrycznym należy obniżyć napięcie. Jego wartość nie powinna przekraczać 12, 24, 36 woltów.
Dostosuj temperaturę i moc grzejnika można to zrobić na dwa sposoby:
Najczęstszym sposobem zmiany zasilania jest włączenie pewna liczba sekcje instalacji trójfazowej. W nowoczesnych instalacjach grzewczych zmiana mocy odbywa się poprzez regulację napięcia za pomocą tyrystorów.
Obliczenie prądu roboczego opiera się na zależności tabelarycznej, która wiąże obciążenie prądowe przewodu nichromowego, jego pole przekroju poprzecznego i temperaturę.
Dane tabelaryczne zestawiono dla drutu nichromowego rozciąganego w powietrzu bez uwzględnienia drgań i drgań w temperaturze 20°C.
Aby przejść do warunków rzeczywistych należy w obliczeniach zastosować współczynniki korygujące.
Obliczenia spirali nichromowej należy przeprowadzać etapami, korzystając ze wstępnych informacji o grzejniku: wymagana moc i marka nichromu.
Moc jednej sekcji:
P - moc instalacji, W;
m - liczba faz, dla prądu jednofazowego m = 1;
n to liczba sekcji w jednej fazie, dla instalacji o mocy około 1 kW n = 1.
Prąd pracy jednej sekcji grzewczej:
U - napięcie sieciowe, dla instalacji jednofazowych U = 220 V
Projektowa temperatura drutu:
θр = θd/(Km Ks)
θd – dopuszczalna temperatura pracy, wybrana z tabeli 1 w zależności od materiału, °C.
Tabela 1- Parametry materiałów na grzejniki elektryczne.
Km to współczynnik instalacji, wybierany z tabeli 2 w zależności od projektu.
Tabela 2- Współczynnik instalacji dla niektórych typów nagrzewnic w cichym przepływie powietrza.
Rolą współczynnika instalacyjnego jest umożliwienie uwzględnienia wzrostu temperatury grzejnika w warunkach rzeczywistych w porównaniu z danymi w tabeli referencyjnej.
Kc jest współczynnikiem środowiskowym, wyznaczonym z tabeli 3.
Tabela 3- Współczynnik korygujący dla określonych warunków środowiskowych.
Współczynnik środowiskowy koryguje lepszy transfer ciepła ze względu na warunki środowiskowe. Dlatego rzeczywiste wyniki obliczeń będą się nieznacznie różnić od wartości w tabeli.
Średnica d, mm i powierzchnia przekrój poprzeczny S, mm 2 dobiera się zgodnie z prądem roboczym i temperaturą projektową z tabeli 4
Tabela 4- Dopuszczalne obciążenie drutu nichromowego w temperaturze 20°C zawieszonego poziomo w spokojnym powietrzu.
Długość drutu jednego odcinka:
L = (U f 2 S*10 -6)/(ρ 20 Рс x10 3)
ρ 20 – rezystywność w temperaturze 20°C, wybrana z tabeli 1;
α jest temperaturowym współczynnikiem oporu, określonym z odpowiedniej kolumny w tabeli 1.
Średnica spirali:
D = (6…10) d, mm.
Określ skok spirali:
h = (2…4) d, mm
Skok spiralny wpływa na wydajność pracy. Z nim duże wartości wzrasta przenikanie ciepła.
Liczba zwojów spirali
Szer. = (lx10 3)/ (√h 2 +(πD) 2)
Długość spirali:
Jeżeli celem grzejnika drutowego jest podniesienie temperatury cieczy, prąd roboczy zwiększa się 1,5-krotność wartości obliczonej. W przypadku obliczania grzejnika typu zamkniętego zaleca się zmniejszenie prądu roboczego o 1,2 razy.
Według maksymalnej dopuszczalnej temperatury grzejniki dzielą się na pięć klas:
Największe prawdopodobieństwo awarii nagrzewnic elektrycznych wynika z utleniania powierzchni oporów grzewczych.
Czynniki wpływające na szybkość niszczenia grzejnika:
Ze względu na to, że elektryczne instalacje grzewcze pracują w przekroczeniu dopuszczalnych wartości tych parametrów, najczęściej częste awarie: spalenie styków, naruszenie wytrzymałości mechanicznej drutu nichromowego.
Naprawa nichromowego elementu grzejnego odbywa się poprzez lutowanie lub skręcanie.
Elektryczne elementy grzejne znajdują zastosowanie w urządzeniach gospodarstwa domowego i urządzeniach przemysłowych. Stosowanie różnych grzejników jest znane każdemu. Ten kuchenki elektryczne, frytownice i piekarniki, elektryczne ekspresy do kawy, czajniki elektryczne i urządzenia grzewcze różnej konstrukcji.
Elektryczne podgrzewacze wody, zwane częściej podgrzewaczami wody, zawierają również elementy grzejne. Podstawą wielu elementów grzejnych jest drut o dużej rezystancji elektrycznej. I najczęściej ten drut jest wykonany z nichromu.
Otwórz spiralę nichromową
Najstarszym elementem grzejnym jest być może zwykła spirala nichromowa. Kiedyś używano domowych sposobów elektryczne płyty grzejne, kotły wodne i grzejniki bramowe. Mając pod ręką drut nichromowy, który można było „złapać” w produkcji, wykonanie spirali o wymaganej mocy nie nastręczało żadnych problemów.
Koniec drutu o wymaganej długości wkłada się w nacięcie klucza, a sam drut przepuszcza się między dwoma drewnianymi klockami. Imadło należy zacisnąć tak, aby cała konstrukcja była trzymana w sposób pokazany na rysunku. Siła zaciskania powinna być taka, aby drut przeszedł przez pręty z pewnym wysiłkiem. Jeśli siła zaciskania jest duża, drut po prostu pęknie.
Rysunek 1. Nawijanie spirali nichromowej
Obracając pokrętło, drut jest przeciągany drewniane klocki i ostrożnie, obracając się, umieszcza się na metalowym pręcie. Elektrycy mieli w swoim arsenale cały zestaw kluczy o różnych średnicach od 1,5 do 10 mm, co umożliwiało nawijanie spirali na każdą okazję.
Wiadomo było, jakiej średnicy jest drut i jakiej długości potrzeba, aby nawinąć spiralę o wymaganej mocy. Te magiczne liczby nadal można znaleźć w Internecie. Rysunek 2 przedstawia tabelę przedstawiającą dane dotyczące spiral o różnych mocach przy napięciu zasilania 220 V.
Rysunek 2. Obliczenie spirali elektrycznej elementu grzejnego (kliknij na rysunek, aby powiększyć)
Wszystko tutaj jest proste i przejrzyste. Po określeniu wymaganej mocy i średnicy dostępnego drutu nichromowego pozostaje tylko odciąć kawałek o wymaganej długości i nawinąć go na trzpień o odpowiedniej średnicy. W tym przypadku tabela pokazuje długość powstałej spirali. Co zrobić, jeśli w tabeli znajduje się drut o średnicy nie wskazanej? W takim przypadku spiralę trzeba będzie po prostu obliczyć.
Jeśli to konieczne, obliczenie spirali jest dość proste. Jako przykład podano obliczenia dla spirali wykonanej z drutu nichromowego o średnicy 0,45 mm (średnicy tej nie ma w tabeli) o mocy 600 W przy napięciu 220 V. Wszystkie obliczenia przeprowadzane są zgodnie z prawem Ohma.
O tym, jak przeliczyć ampery na waty i odwrotnie, waty na ampery:
I = P/U = 600/220 = 2,72 A
Aby to zrobić, wystarczy podzielić daną moc przez napięcie i otrzymać wielkość prądu przepływającego przez spiralę. Moc w watach, napięcie w woltach, wynik w amperach. Wszystko jest według układu SI.
Wzór na obliczenie rezystancji przewodu R=ρ*L/S,
gdzie ρ to rezystywność przewodnika (dla nichromu 1,0 1,2 Ohm.mm2/m), L to długość przewodnika w metrach, S to przekrój przewodnika w milimetry kwadratowe. Dla przewodu o średnicy 0,45 mm przekrój poprzeczny wyniesie 0,159 mm2.
Stąd L = S * R / ρ = 0,159 * 81 / 1,1 = 1170 mm, czyli 11,7 m.
Ogólnie obliczenia nie są tak skomplikowane. Tak naprawdę wykonanie spirali nie jest aż tak trudne, co jest niewątpliwą zaletą zwykłych spiral nichromowych. Ale tę zaletę równoważy wiele wad związanych z otwartymi cewkami.
Przede wszystkim jest to dość wysoka temperatura ogrzewania – 700...800˚C. Nagrzana cewka świeci się słabo na czerwono; przypadkowe dotknięcie może spowodować oparzenia. Ponadto może wystąpić porażenie prądem. Gorąca wężownica wypala tlen zawarty w powietrzu i przyciąga cząsteczki kurzu, które po spaleniu wydzielają bardzo nieprzyjemny zapach.
Jednak główną wadą otwartych spiral jest ich wysokie zagrożenie pożarowe. Dlatego straż pożarna po prostu zabrania używania grzejników z otwartą spiralą. Do takich grzejników zalicza się przede wszystkim tzw. „kozę”, której konstrukcję pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Domowy grzejnik „kozi”.
Tak wyszła dzika „koza”: została zrobiona celowo niedbale, prosto, a nawet bardzo słabo. Z takim grzejnikiem nie będziesz musiał długo czekać na ogień. Bardziej zaawansowana konstrukcja, taka jak ta urządzenie grzewcze pokazano na rysunku 4.
Ryc. 4. Domowa „koza”
Łatwo zauważyć, że spirala jest pokryta metalową obudową, co zapobiega dotykaniu nagrzanych części pod napięciem. Zagrożenie pożarowe takiego urządzenia jest znacznie mniejsze niż pokazano na poprzednim rysunku.
Dawno, dawno temu w ZSRR produkowano grzejniki reflektorowe. Pośrodku niklowanego odbłyśnika umieszczono ceramiczne gniazdo, w które wkręcono grzałkę o mocy 500W, przypominającą żarówkę o gwincie E27. Zagrożenie pożarowe takiego reflektora jest również bardzo wysokie. No cóż, jakoś nie pomyślano, do czego w tamtych czasach mogło prowadzić używanie takich grzejników.
Rysunek 5. Grzejnik refleksyjny
Jest rzeczą oczywistą, że różne grzejniki z otwartą spiralą można, wbrew wymaganiom inspekcji przeciwpożarowej, używać tylko pod ścisłym nadzorem: jeśli wyjdziesz z pomieszczenia, wyłącz grzejnik! Jeszcze lepiej po prostu zaprzestać używania tego typu grzejników.
Elementy grzejne z zamkniętą spiralą
Aby pozbyć się otwartej spirali, rurowej Grzejniki elektryczne- Elementy grzejne. Projekt elementu grzejnego pokazano na rysunku 6.
Rysunek 6. Konstrukcja elementu grzejnego
Spirala nichromowa 1 jest ukryta wewnątrz cienkościennej metalowej rurki 2. Spirala jest odizolowana od rurki wypełniaczem 3 o wysokiej przewodności cieplnej i dużej rezystancji elektrycznej. Najczęściej stosowanym wypełniaczem jest peryklaza (krystaliczna mieszanina tlenku magnezu MgO, czasami z domieszkami innych tlenków).
Po napełnieniu masą izolacyjną rura jest poddawana ciśnieniu i pod ciśnieniem wysokie ciśnienie peryklaza zamienia się w monolit. Po takiej operacji spirala jest sztywno zamocowana, więc kontakt elektryczny z korpusem - rurą jest całkowicie wykluczony. Konstrukcja jest tak wytrzymała, że każdy element grzejny można wygiąć, jeśli wymaga tego konstrukcja urządzenia grzewczego. Niektóre elementy grzejne mają bardzo dziwny kształt.
Spirala połączona jest z metalowymi przewodami 4, które wychodzą przez izolatory 5. Przewody zasilające połączone są z gwintowanymi końcami przewodów 4 za pomocą nakrętek i podkładek 7. Elementy grzejne mocuje się w korpusie urządzenia za pomocą nakrętek i podkładek 6, zapewniając w razie potrzeby szczelność połączenia.
Z zastrzeżeniem warunków pracy, taka konstrukcja jest dość niezawodna i trwała. Do tego doprowadziło bardzo szerokie zastosowanie Elementy grzejne w urządzeniach o różnym przeznaczeniu i konstrukcji.
Zgodnie z warunkami pracy elementy grzejne dzielą się na dwie duże grupy: powietrze i wodę. Ale to tylko nazwa. W rzeczywistości elementy ogrzewania powietrznego są zaprojektowane do pracy w różnych środowiskach gazowych. Nawet zwykłe powietrze atmosferyczne jest mieszaniną kilku gazów: tlenu, azotu, dwutlenek węgla, są nawet zanieczyszczenia argonem, neonem, kryptonem itp.
Środowisko powietrzne może być bardzo zróżnicowane. Może to być spokojne powietrze atmosferyczne lub strumień powietrza poruszający się z prędkością do kilku metrów na sekundę, jak w nagrzewnicach lub opalarkach.
Nagrzewanie płaszcza elementu grzejnego może osiągnąć 450 ˚C lub nawet więcej. Dlatego do produkcji zewnętrznej osłony rurowej używają różne materiały. Może to być zwykła stal węglowa, stal nierdzewna lub żaroodpornej stali żaroodpornej. Wszystko zależy od środowiska.
Aby poprawić wymianę ciepła, niektóre elementy grzejne są wyposażone w żebra na rurkach w postaci nawiniętego metalowego paska. Takie grzejniki nazywane są żebrowanymi. Zastosowanie takich elementów jest najwłaściwsze w środowisku poruszającego się powietrza, np. w nagrzewnicach i opalarkach.
Elementy podgrzewające wodę również niekoniecznie są stosowane w wodzie; jest to ogólna nazwa różnych mediów płynnych. Może to być olej, olej opałowy, a nawet różne agresywne ciecze. Ciekłe elementy grzejne, gorzelnie, elektryczne instalacje odsalania woda morska i po prostu w tytanach do wrzącej wody pitnej.
Przewodność cieplna i pojemność cieplna wody jest znacznie wyższa niż powietrza i innych mediów gazowych, co zapewnia w porównaniu ze środowiskiem powietrznym lepsze i szybsze odprowadzanie ciepła z elementu grzejnego. Dlatego za to samo energia elektryczna podgrzewacz wody ma mniejsze wymiary geometryczne.
Tutaj możemy podać prosty przykład: kiedy woda wrze w zwykłym czajnik elektryczny Element grzejny może nagrzać się do czerwoności, a następnie wypalić i spowodować powstanie dziur. Ten sam obraz można zaobserwować w przypadku zwykłych kotłów przeznaczonych do wrzenia wody w szklance lub wiadrze.
Powyższy przykład wyraźnie pokazuje, że elementy podgrzewające wodę w żadnym wypadku nie powinny być używane do pracy w środowisku powietrznym. Do podgrzewania wody można wykorzystać elementy ogrzewania powietrznego, ale na zagotowanie wody trzeba będzie długo czekać.
Warstwa kamienia powstająca podczas pracy również nie będzie korzystna dla elementów podgrzewających wodę. Skala z reguły ma porowatą strukturę, a jej przewodność cieplna jest niska. Dlatego ciepło wytwarzane przez cewkę nie przenika dobrze do cieczy, ale sama cewka wewnątrz grzejnika nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, co prędzej czy później doprowadzi do jej przepalenia.
Aby temu zapobiec, zaleca się okresowe czyszczenie elementów grzejnych różnymi środkami chemikalia. Na przykład reklamy telewizyjne zalecają Calgon do ochrony grzejników pralek. Chociaż istnieje wiele różnych opinii na temat tego środka.
Jak pozbyć się kamienia
Oprócz środków chemicznych do ochrony przed osadzaniem się kamienia, różne urządzenia. Przede wszystkim są to magnetyczne konwertery wody. W silnym polu magnetycznym kryształy „twardych” soli zmieniają swoją strukturę, zamieniają się w płatki i stają się mniejsze. Z takich płatków kamień tworzy się mniej aktywnie; większość płatków jest po prostu zmywana strumieniem wody. Zapewnia to ochronę grzejników i rurociągów przed kamieniem. Przetworniki filtrów magnetycznych produkowane są przez wiele firm zagranicznych, takie firmy istnieją również w Rosji. Takie filtry są dostępne zarówno w wersji wpuszczanej, jak i napowietrznej.
Elektroniczne zmiękczacze wody
W ostatnio Elektroniczne zmiękczacze wody cieszą się coraz większą popularnością. Na zewnątrz wszystko wygląda bardzo prosto. Na rurze zainstalowana jest mała skrzynka, z której wychodzą przewody antenowe. Druty owijają się wokół rury bez konieczności usuwania farby. Urządzenie można zamontować w dowolnym dostępnym miejscu, jak pokazano na rysunku 7.
Rysunek 7. Elektroniczny zmiękczacz wody
Jedyne co potrzebne do podłączenia urządzenia to gniazdko 220V. Urządzenie jest przeznaczone do długotrwałej pracy; nie trzeba go okresowo wyłączać, ponieważ wyłączenie spowoduje ponowne stwardnienie wody i ponowne osadzenie się kamienia.
Zasada działania urządzenia sprowadza się do emisji drgań w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych, które mogą sięgać nawet 50 KHz. Regulacja częstotliwości oscylacji odbywa się za pomocą panelu sterowania urządzenia. Emisje powstają w pakietach kilka razy na sekundę, co osiąga się za pomocą wbudowanego mikrokontrolera. Moc oscylacji jest niewielka, dlatego tego typu urządzenia nie stanowią zagrożenia dla zdrowia człowieka.
Możliwość zainstalowania takich urządzeń jest dość łatwa do ustalenia. Wszystko sprowadza się do określenia, z jakiej twardości pochodzi woda. rura wodna. Tutaj nawet nie są potrzebne żadne „dziwne” urządzenia: jeśli po umyciu skóra wyschnie, spryskując ją wodą płytki pojawiają się białe smugi, w czajniku pojawia się kamień, pralka myje wolniej niż na początku pracy - z kranu na pewno leci twarda woda. Wszystko to może doprowadzić do awarii elementów grzejnych, a w konsekwencji samych czajników czy pralek.
Twarda woda nie rozpuszcza się dobrze detergenty- z zwykłe mydło po supermodne proszki do prania. W rezultacie trzeba dodać więcej proszku, ale to niewiele pomaga, ponieważ twardość kryształków soli zostaje zatrzymana w tkaninach, a jakość prania pozostawia wiele do życzenia. Wszystkie powyższe oznaki twardości wody wymownie wskazują na konieczność zainstalowania zmiękczaczy wody.
Podłączenie i sprawdzenie elementów grzejnych
Przy podłączaniu elementu grzejnego należy zastosować przewód o odpowiednim przekroju. Tutaj wszystko zależy od prądu płynącego przez element grzejny. Najczęściej znane są dwa parametry. Jest to moc samej grzałki i napięcie zasilania. Aby wyznaczyć prąd wystarczy podzielić moc przez napięcie zasilania.
Prosty przykład. Niech będzie element grzejny o mocy 1KW (1000W) na napięcie zasilania 220V. Dla takiego grzejnika okazuje się, że prąd będzie
I = P/U = 1000/220 = 4,545A.
Według tabel znajdujących się w PUE taki prąd może zapewnić drut o przekroju 0,5 mm2 (11A), ale aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną, lepiej jest zastosować drut o przekroju co najmniej 2,5 mm2. To właśnie ten przewód najczęściej dostarcza prąd do gniazdek.
Ale przed wykonaniem podłączenia należy upewnić się, że nawet nowy, właśnie zakupiony element grzejny jest sprawny. Przede wszystkim należy zmierzyć jego rezystancję i sprawdzić integralność izolacji. Opór elementu grzejnego można dość łatwo obliczyć. Aby to zrobić, należy podnieść napięcie zasilania do kwadratu i podzielić przez moc. Na przykład dla grzejnika o mocy 1000 W obliczenia wyglądają następująco:
220*220/1000=48,4 oma.
Multimetr powinien pokazywać tę rezystancję po podłączeniu go do zacisków elementu grzejnego. Jeśli spirala zostanie zerwana, multimetr oczywiście pokaże przerwę. Jeśli weźmiesz element grzejny o innej mocy, wówczas opór będzie oczywiście inny.
Aby sprawdzić integralność izolacji, zmierz rezystancję pomiędzy dowolnym zaciskiem a metalowym korpusem elementu grzejnego. Rezystancja wypełniacza-izolatora jest taka, że przy dowolnej granicy pomiaru multimetr powinien wykazywać przerwę. Jeśli okaże się, że rezystancja wynosi zero, wówczas spirala ma kontakt z metalowym korpusem grzejnika. Może się to zdarzyć nawet w przypadku nowego, właśnie zakupionego elementu grzejnego.
Generalnie służy do sprawdzania izolacji, ale nie zawsze i nie każdy ma go pod ręką. Zatem sprawdzenie za pomocą zwykłego multimetru jest całkiem odpowiednie. Przynajmniej taką kontrolę należy przeprowadzić.
Jak już wspomniano, elementy grzejne można wygiąć nawet po wypełnieniu izolatorem. Istnieją grzejniki o najróżniejszych kształtach: w postaci prostej rurki, w kształcie litery U, zwiniętej w pierścień, wąż lub spiralę. Wszystko zależy od konstrukcji urządzenia grzewczego, w którym element grzejny ma zostać zamontowany. Na przykład w natychmiastowy podgrzewacz wody pralka Stosowane są elementy grzejne skręcone w spiralę.
Niektóre elementy grzejne posiadają elementy zabezpieczające. Najbardziej prosta ochrona To jest bezpiecznik termiczny. Jeśli się wypali, będziesz musiał wymienić cały element grzejny, ale nie doprowadzi to do pożaru. Istnieje również bardziej złożony system ochrony, który pozwala na użycie elementu grzejnego po jego uruchomieniu.
Jednym z takich zabezpieczeń jest zabezpieczenie oparte na płytce bimetalicznej: ciepło z przegrzanego elementu grzejnego powoduje wygięcie płytki bimetalicznej, co powoduje rozwarcie styku i wyłączenie elementu grzejnego od zasilania. Gdy temperatura spadnie do akceptowalnej wartości, płytka bimetaliczna odkształca się, styk zamyka się i element grzejny jest ponownie gotowy do pracy.
Elementy grzejne z termostatem
W przypadku braku ciepłej wody konieczne jest użycie kotłów. Konstrukcja kotłów jest dość prosta. Jest to metalowy pojemnik ukryty w „futrze” termoizolatora, na którym znajduje się element dekoracyjny metalowa obudowa. W korpusie wbudowany jest termometr, który pokazuje temperaturę wody. Projekt kotła pokazano na rysunku 8.
Rysunek 8. Kocioł akumulacyjny
Niektóre kotły zawierają anodę magnezową. Jego zadaniem jest ochrona grzałki oraz wewnętrznego zbiornika kotła przed korozją. Anoda magnezowa jest materiały eksploatacyjne, należy go okresowo wymieniać podczas serwisowania kotła. Ale w niektórych kotłach najwyraźniej tanie kategoria cenowa, taka ochrona nie jest zapewniona.
Jako element grzejny w kotłach stosuje się element grzejny z termostatem; konstrukcję jednego z nich pokazano na rysunku 9.
Rysunek 9. Element grzejny z termostatem
W plastikowym pudełku znajduje się mikroprzełącznik uruchamiany czujnikiem temperatury cieczy (prosta rurka obok elementu grzejnego). Kształt samego elementu grzejnego może być bardzo różnorodny; rysunek pokazuje najprostszy. Wszystko zależy od mocy i konstrukcji kotła. Stopień nagrzewania reguluje się położeniem styku mechanicznego, sterowanym za pomocą białego okrągłego uchwytu umieszczonego w dolnej części pudełka. Tutaj znajdują się również zaciski zasilania. prąd elektryczny. Grzejnik mocowany jest za pomocą gwintów.
Mokre i suche elementy grzejne
Grzejnik taki ma bezpośredni kontakt z wodą, dlatego taki element grzejny nazywany jest „mokrym”. Żywotność „mokrego” elementu grzejnego wynosi 2...5 lat i po tym czasie należy go wymienić. Ogólnie rzecz biorąc, żywotność jest krótka.
Aby zwiększyć żywotność elementu grzejnego i całego kotła jako całości, francuska firma Atlantic opracowała w latach 90. ubiegłego wieku konstrukcję „suchego” elementu grzejnego. Mówiąc najprościej, grzałka została ukryta w metalowej kolbie ochronnej, co zapobiega bezpośredniemu kontaktowi z wodą: wewnątrz kolby nagrzewa się element grzejny, który oddaje ciepło wodzie.
Naturalnie temperatura kolby jest znacznie niższa niż samego elementu grzejnego, dlatego tworzenie się kamienia przy tej samej twardości wody nie następuje tak intensywnie, jak to możliwe; więcej ciepło. Żywotność takich grzejników sięga 10...15 lat. Powyższe dotyczy dobrych warunków pracy, zwłaszcza stabilności napięcia zasilania. Ale nawet w dobrych warunkach „suche” elementy grzejne również wyczerpują swoją żywotność i należy je wymienić.
Tutaj ujawnia się kolejna zaleta technologii „suchego” elementu grzejnego: przy wymianie grzejnika nie ma konieczności spuszczania wody z kotła, dla tego należy go odłączyć od rurociągu. Wystarczy odkręcić grzejnik i wymienić go na nowy.
Firma Atlantic oczywiście opatentowała swój wynalazek, po czym zaczęła sprzedawać licencję innym firmom. Obecnie kotły z „suchym” elementem grzewczym produkowane są także przez inne firmy, na przykład Electrolux i Gorenje. Konstrukcję kotła z „suchym” elementem grzejnym pokazano na rysunku 10.
Rysunek 10. Kocioł z grzejnikiem „suchym”.
Nawiasem mówiąc, rysunek pokazuje kocioł z ceramicznym grzejnikiem steatytowym. Projekt takiego grzejnika pokazano na rysunku 11.
Rysunek 11. Grzejnik ceramiczny
NA podstawa ceramiczna zabezpieczona jest konwencjonalna otwarta spirala wykonana z drutu o wysokiej rezystancji. Temperatura ogrzewania spirali osiąga 800 stopni i jest przekazywana środowisko(powietrze pod obudową) przez konwekcję i promieniowanie cieplne. Oczywiście taki grzejnik po zastosowaniu w kotłach może działać tylko w osłonie ochronnej, w środowisku powietrznym; bezpośredni kontakt z wodą jest po prostu wykluczony.
Spiralę można zwinąć w kilku sekcjach, o czym świadczy obecność kilku zacisków do podłączenia. Umożliwia to zmianę mocy grzałki. Maksymalna moc właściwa takich grzejników nie przekracza 9 W/cm 2 .
Warunkiem normalnej pracy takiego grzejnika jest brak naprężeń mechanicznych, zginania i wibracji. Powierzchnia powinna być wolna od zanieczyszczeń, takich jak rdza i plamy oleju. I oczywiście im bardziej stabilne jest napięcie zasilania, bez przepięć i przepięć, tym trwalszy będzie grzejnik.
Ale elektrotechnika nie stoi w miejscu. Technologie rozwijają się i udoskonalają, dlatego oprócz elementów grzejnych opracowano i z powodzeniem zastosowano szeroką gamę elementów grzejnych. Są to ceramiczne elementy grzejne, węglowe elementy grzejne, elementy grzejne na podczerwień, ale to będzie temat na inny artykuł.
Niektóre domowe urządzenia grzewcze nadal wykorzystują drut nichromowy. Posiada wysoką odporność cieplną, charakterystyczną dla stopu niklu i chromu. Materiał ten charakteryzuje się dobrą ciągliwością, wysoką rezystywnością elektryczną i niskim współczynnikiem temperaturowym oporu. Dlatego przy obliczaniu drutu nichromowego do grzejnika należy wziąć pod uwagę te parametry. W przeciwnym razie wyniki obliczeń będą niedokładne i nie dadzą pożądanego rezultatu.
Szybkie obliczenia można wykonać za pomocą kalkulatora online. Za jego pomocą możesz obliczyć i w przybliżeniu ustawić wymaganą długość drutu nichromowego. Z reguły bierzemy pod uwagę marki najczęściej stosowane w urządzeniach grzewczych - X20N80, X20N80-N, X15N60.
Do wykonania obliczeń wymagane są obowiązkowe dane początkowe. Przede wszystkim jest to planowana do uzyskania moc grzejnika, średnica drutu nichromowego oraz wartość napięcia zasilania.
Obliczenia przeprowadza się w następujący sposób. Przede wszystkim musisz zainstalować zgodnie z podane parametry, zgodnie ze wzorem: I = P/U. Następnie obliczana jest rezystancja całego elementu grzejnego. Następnie będziesz potrzebować oporności elektrycznej dla konkretnej marki drutu nichromowego. Wartość ta będzie potrzebna do ustalenia najbardziej optymalnej długości elementu grzejnego za pomocą innego wzoru: l = SR/ρ. Właściwy wybór długość doprowadzi rezystancję grzejnika R do żądanej wartości.
Po wykonaniu obliczeń zaleca się sprawdzenie uzyskanych danych korzystając z tabeli i upewnienie się, że obliczony prąd odpowiada wartości dopuszczalnej. Jeżeli obliczony prąd przekracza dopuszczalne limity, należy powtórzyć obliczenia, zwiększając średnicę drutu nichromowego lub zmniejszając moc samego elementu grzejnego. Należy wziąć pod uwagę fakt, że wszystkie parametry podane w tabelach obliczono dla grzejników ustawionych w pozycji poziomej i pracujących w środowisku powietrznym.
Jeśli planujesz zastosować spiralę nichromową umieszczoną w cieczy, wartość dopuszczalnego prądu należy pomnożyć przez współczynnik 1,1-1,5. Na zamknięta lokalizacja wręcz przeciwnie, spirale należy zmniejszyć 1,2-1,5 razy.
Podczas naprawy lub produkcja własna Lutownica elektryczna lub inne urządzenie grzewcze wymaga uzwojenia grzejnego wykonanego z drutu nichromowego. Początkowymi danymi do obliczenia i doboru drutu jest rezystancja uzwojenia lutownicy lub urządzenia grzejnego, którą określa się na podstawie jej mocy i napięcia zasilania. Za pomocą tabeli możesz obliczyć, jaka powinna być rezystancja uzwojenia lutownicy lub urządzenia grzewczego.
Znając napięcie zasilania i pomiar rezystancji każde elektryczne urządzenie grzewcze, takie jak lutownica, lub żelazko elektryczne, możesz sprawdzić moc zużywaną przez to elektryczne urządzenie gospodarstwa domowego B. Na przykład rezystancja czajnika elektrycznego o mocy 1,5 kW wyniesie 32,2 oma.
| Tabela do określania rezystancji spirali nichromowej w zależności od mocy i napięcia zasilania urządzenia elektryczne, Och | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Zużycie energii lutownica, W | Napięcie zasilania lutownicy, V | ||||
| 12 | 24 | 36 | 127 | 220 | |
| 12 | 12 | 48,0 | 108 | 1344 | 4033 |
| 24 | 6,0 | 24,0 | 54 | 672 | 2016 |
| 36 | 4,0 | 16,0 | 36 | 448 | 1344 |
| 42 | 3,4 | 13,7 | 31 | 384 | 1152 |
| 60 | 2,4 | 9,6 | 22 | 269 | 806 |
| 75 | 1.9 | 7.7 | 17 | 215 | 645 |
| 100 | 1,4 | 5,7 | 13 | 161 | 484 |
| 150 | 0,96 | 3,84 | 8,6 | 107 | 332 |
| 200 | 0,72 | 2,88 | 6,5 | 80,6 | 242 |
| 300 | 0,48 | 1,92 | 4,3 | 53,8 | 161 |
| 400 | 0,36 | 1,44 | 3,2 | 40,3 | 121 |
| 500 | 0,29 | 1,15 | 2,6 | 32,3 | 96,8 |
| 700 | 0,21 | 0,83 | 1,85 | 23,0 | 69,1 |
| 900 | 0,16 | 0,64 | 1,44 | 17,9 | 53,8 |
| 1000 | 0,14 | 0,57 | 1,30 | 16,1 | 48,4 |
| 1500 | 0,10 | 0,38 | 0,86 | 10,8 | 32,3 |
| 2000 | 0,07 | 0,29 | 0,65 | 8,06 | 24,2 |
| 2500 | 0,06 | 0,23 | 0,52 | 6,45 | 19,4 |
| 3000 | 0,05 | 0,19 | 0,43 | 5,38 | 16,1 |
Spójrzmy na przykład użycia tabeli. Załóżmy, że musisz przewinąć lutownicę o mocy 60 W przeznaczoną na napięcie zasilania 220 V. W skrajnej lewej kolumnie tabeli wybierz 60 W. Z górnej poziomej linii wybierz 220 V. W wyniku obliczeń okazuje się, że rezystancja uzwojenia lutownicy, niezależnie od materiału uzwojenia, powinna wynosić 806 omów.
Jeśli trzeba było wykonać lutownicę z lutownicy o mocy 60 W, zaprojektowanej na napięcie 220 V, do zasilania z sieci 36 V, rezystancja nowego uzwojenia powinna już wynosić 22 omów. Możesz samodzielnie obliczyć rezystancję uzwojenia dowolnego elektrycznego urządzenia grzewczego za pomocą kalkulatora online.
Po określeniu wymaganej rezystancji uzwojenia lutownicy, z poniższej tabeli dobiera się odpowiednią średnicę drutu nichromowego na podstawie wymiarów geometrycznych uzwojenia. Drut nichromowy to stop chromowo-niklowy wytrzymujący temperatury ogrzewania do 1000˚C i oznaczony jako X20N80. Oznacza to, że stop zawiera 20% chromu i 80% niklu.
Do nawinięcia spirali lutownicy o rezystancji 806 omów z powyższego przykładu potrzebne będzie 5,75 m drutu nichromowego o średnicy 0,1 mm (należy podzielić 806 przez 140) lub 25,4 m drutu o średnicy 0,2 mm i tak dalej.
Podczas nawijania spirali lutownicy zwoje są ułożone blisko siebie. Po podgrzaniu do czerwoności powierzchnia drutu nichromowego utlenia się i tworzy powierzchnię izolacyjną. Jeśli cała długość drutu nie mieści się na tulei w jednej warstwie, wówczas nawiniętą warstwę pokrywa się miką i nawija drugą.
Do izolacji elektrycznej i termicznej uzwojeń elementów grzejnych najlepsze materiały to mika, tkanina z włókna szklanego i azbest. Azbest ma ciekawą właściwość: można go namoczyć wodą i staje się miękki, pozwala na nadanie mu dowolnego kształtu, a po wyschnięciu ma wystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Izolując uzwojenie lutownicy mokrym azbestem, należy wziąć pod uwagę, że mokry azbest dobrze przewodzi prąd elektryczny i włączenie lutownicy do sieci elektrycznej będzie możliwe dopiero po całkowitym wyschnięciu azbestu.
Bardzo często, jeśli chcesz coś zrobić lub naprawić podgrzewacz Wykonując piece elektryczne własnymi rękami, osoba ma wiele pytań. Np. jaką średnicę drutu przyjąć, jaka powinna być jego długość, jaką moc można uzyskać stosując drut lub taśmę o podanych parametrach itp. Na właściwe podejście Aby rozwiązać ten problem, należy wziąć pod uwagę sporo parametrów, na przykład siłę przepływającego prądu podgrzewacz, temperatura pracy, rodzaj sieci elektrycznej i inne.W tym artykule przedstawiono podstawowe informacje na temat materiałów najczęściej stosowanych w produkcji grzejników piekarniki elektryczne, a także metody i przykłady ich obliczeń (obliczanie grzejników do pieców elektrycznych).
Wymienione powyżej stopy mają dobrą odporność na ciepło i właściwości żaroodporne, dzięki czemu mogą pracować w wysokich temperaturach. Dobry odporność na ciepło zapewnia folia ochronna z tlenku chromu, który tworzy się na powierzchni materiału. Temperatura topnienia folii jest wyższa niż temperatura topnienia samego stopu; nie pęka po podgrzaniu i ochłodzeniu.
Dajmy cechy porównawcze nichrom i fechral.
Zalety nichromu:
W ostatnim czasie opracowano stopy typu Kh15N60Yu3 i Kh27N70YUZ, tj. z dodatkiem 3% aluminium, co znacznie poprawiło odporność cieplną stopów, a obecność niklu praktycznie wyeliminowała wady stopów żelazo-chrom-aluminium. Stopy Kh15N60YUZ, Kh27N60YUZ nie wchodzą w interakcje z szamotem i tlenkami żelaza, są dość dobrze przetworzone, mocne mechanicznie i niełamliwe. Maksymalna temperatura robocza stopu X15N60YUZ wynosi 1200°C.
Oprócz wyżej wymienionych stopów na bazie niklu, chromu, żelaza i aluminium, do produkcji grzejników wykorzystuje się inne materiały: metale ogniotrwałe, a także niemetale.
Wśród niemetali do produkcji grzejników stosuje się karborund, dwukrzemek molibdenu, węgiel i grafit. W piecach wysokotemperaturowych stosowane są grzejniki karborundowe i dwukrzemkowe molibdenu. W piecach z atmosferą ochronną stosuje się grzejniki węglowe i grafitowe.
Wśród materiałów ogniotrwałych jako grzejniki można stosować tantal i niob. W wysokiej temperaturze piece próżniowe i stosowane są piece z atmosferą ochronną grzejniki molibdenowe I wolfram. Grzejniki molibdenowe mogą pracować w temperaturach do 1700°C w próżni i do 2200°C w atmosferze ochronnej. Ta różnica temperatur wynika z odparowania molibdenu w temperaturze powyżej 1700 °C w próżni. Grzejniki wolframowe mogą pracować w temperaturze do 3000°C. W szczególnych przypadkach stosuje się grzejniki wykonane z tantalu i niobu.
Konieczne jest również określenie materiału, z którego należy wykonać grzejniki(ten punkt nie jest poruszany w artykule). W artykule za materiał na grzejniki uznano precyzyjny stop chromowo-niklowy o wysokiej rezystancji elektrycznej, który jest jednym z najpopularniejszych w produkcji elementów grzejnych.
Przykład obliczenia średnicy i długości elementu grzejnego
Dane początkowe:
Moc urządzenia P
= 800 W; napięcie sieciowe U
= 220 V; temperatura grzejnika 800°C. Jako element grzejny stosuje się drut nichromowy X20N80.
1. Najpierw musisz określić natężenie prądu, które przejdzie przez element grzejny:
I=P/U
= 800 / 220 = 3,63 A.
2. Teraz musisz znaleźć opór grzejnika:
R=U/I
= 220 / 3,63 = 61 omów;
3. Na podstawie wartości natężenia prądu uzyskanej w kroku 1 podczas przejścia grzejnik nichromowy, musisz wybrać średnicę drutu. I ten punkt jest ważny. Jeśli na przykład przy prądzie 6 A użyjesz drutu nichromowego o średnicy 0,4 mm, spali się. Dlatego po obliczeniu wytrzymałości prądu należy wybrać z tabeli odpowiednią wartość średnicy drutu. W naszym przypadku dla prądu 3,63 A i temperatury grzejnika 800°C dobieramy drut nichromowy o średnicy D = 0,35 mm i pole przekroju poprzecznego S = 0,096 mm2.
Ogólna zasada wybór średnicy drutu można sformułować w następujący sposób: należy wybrać drut, którego dopuszczalne natężenie prądu jest nie mniejsze niż obliczone natężenie prądu przechodzącego przez grzejnik. Aby zaoszczędzić materiał grzejny należy wybrać przewód o najbliższym wyższym (niż obliczony) dopuszczalnym natężeniu prądu.
Tabela 1
| Średnica, mm | Pole przekroju drutu nichromowego, mm 2 | Temperatura nagrzewania drutu nichromowego, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 400 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | ||
| Maksymalny dopuszczalny prąd, A | ||||||||
| 5 | 19,6 | 52 | 83 | 105 | 124 | 146 | 173 | 206 |
| 4 | 12,6 | 37,0 | 60,0 | 80,0 | 93,0 | 110,0 | 129,0 | 151,0 |
| 3 | 7,07 | 22,3 | 37,5 | 54,5 | 64,0 | 77,0 | 88,0 | 102,0 |
| 2,5 | 4,91 | 16,6 | 27,5 | 40,0 | 46,6 | 57,5 | 66,5 | 73,0 |
| 2 | 3,14 | 11,7 | 19,6 | 28,7 | 33,8 | 39,5 | 47,0 | 51,0 |
| 1,8 | 2,54 | 10,0 | 16,9 | 24,9 | 29,0 | 33,1 | 39,0 | 43,2 |
| 1,6 | 2,01 | 8,6 | 14,4 | 21,0 | 24,5 | 28,0 | 32,9 | 36,0 |
| 1,5 | 1,77 | 7,9 | 13,2 | 19,2 | 22,4 | 25,7 | 30,0 | 33,0 |
| 1,4 | 1,54 | 7,25 | 12,0 | 17,4 | 20,0 | 23,3 | 27,0 | 30,0 |
| 1,3 | 1,33 | 6,6 | 10,9 | 15,6 | 17,8 | 21,0 | 24,4 | 27,0 |
| 1,2 | 1,13 | 6,0 | 9,8 | 14,0 | 15,8 | 18,7 | 21,6 | 24,3 |
| 1,1 | 0,95 | 5,4 | 8,7 | 12,4 | 13,9 | 16,5 | 19,1 | 21,5 |
| 1,0 | 0,785 | 4,85 | 7,7 | 10,8 | 12,1 | 14,3 | 16,8 | 19,2 |
| 0,9 | 0,636 | 4,25 | 6,7 | 9,35 | 10,45 | 12,3 | 14,5 | 16,5 |
| 0,8 | 0,503 | 3,7 | 5,7 | 8,15 | 9,15 | 10,8 | 12,3 | 14,0 |
| 0,75 | 0,442 | 3,4 | 5,3 | 7,55 | 8,4 | 9,95 | 11,25 | 12,85 |
| 0,7 | 0,385 | 3,1 | 4,8 | 6,95 | 7,8 | 9,1 | 10,3 | 11,8 |
| 0,65 | 0,342 | 2,82 | 4,4 | 6,3 | 7,15 | 8,25 | 9,3 | 10,75 |
| 0,6 | 0,283 | 2,52 | 4 | 5,7 | 6,5 | 7,5 | 8,5 | 9,7 |
| 0,55 | 0,238 | 2,25 | 3,55 | 5,1 | 5,8 | 6,75 | 7,6 | 8,7 |
| 0,5 | 0,196 | 2 | 3,15 | 4,5 | 5,2 | 5,9 | 6,75 | 7,7 |
| 0,45 | 0,159 | 1,74 | 2,75 | 3,9 | 4,45 | 5,2 | 5,85 | 6,75 |
| 0,4 | 0,126 | 1,5 | 2,34 | 3,3 | 3,85 | 4,4 | 5,0 | 5,7 |
| 0,35 | 0,096 | 1,27 | 1,95 | 2,76 | 3,3 | 3,75 | 4,15 | 4,75 |
| 0,3 | 0,085 | 1,05 | 1,63 | 2,27 | 2,7 | 3,05 | 3,4 | 3,85 |
| 0,25 | 0,049 | 0,84 | 1,33 | 1,83 | 2,15 | 2,4 | 2,7 | 3,1 |
| 0,2 | 0,0314 | 0,65 | 1,03 | 1,4 | 1,65 | 1,82 | 2,0 | 2,3 |
| 0,15 | 0,0177 | 0,46 | 0,74 | 0,99 | 1,15 | 1,28 | 1,4 | 1,62 |
| 0,1 | 0,00785 | 0,1 | 0,47 | 0,63 | 0,72 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
W ten sposób otrzymujemy długość grzejnika:
l = R S / ρ
= 61 · 0,096 / 1,11 = 5,3 m.
W tym przykładzie jako grzejnik zastosowano drut nichromowy o średnicy 0,35 mm. Według „Drut wykonany ze stopów precyzyjnych o dużej rezystancji elektrycznej. Dane techniczne" wartość nominalna oporności elektrycznej drutu nichromowego klasy X20N80 wynosi 1,1 oma mm 2 / m ( ρ = 1,1 oma mm 2 / m), patrz tabela. 2.
Wynikiem obliczeń jest wymagana długość drutu nichromowego, która wynosi 5,3 m, średnica - 0,35 mm.
Tabela 2
1. Pierwszą rzeczą, którą musisz zrobić, to obliczyć objętość komory wewnątrz piekarnika. W w tym przypadku weźmy H = 490 mm, D = 350 mm i l = 350 mm (odpowiednio wysokość, szerokość i głębokość). W ten sposób otrzymujemy objętość V = godz re l = 490 · 350 · 350 = 60 · 10 6 mm 3 = 60 l (miara objętości).
2. Następnie musisz określić moc, jaką powinien wytwarzać piekarnik. Moc jest mierzona w watach (W) i jest określana przez praktyczna zasada: w przypadku piekarnika elektrycznego o pojemności 10–50 litrów moc właściwa wynosi 100 W/l (wat na litr objętości), w przypadku piekarnika o pojemności 100–500 litrów – 50–70 W/l. Weźmy dla danego pieca gęstość mocy 100 W/l. Zatem moc grzejnika pieca elektrycznego powinna wynosić P = 100 · 60 = 6000 W = 6 kW.
Warto dodać, że przy mocy 5-10 kW grzejniki są zwykle produkowane jednofazowe. Przy dużych mocach, aby zapewnić równomierne obciążenie sieci, grzejniki są trójfazowe.
3. Następnie musisz znaleźć prąd przepływający przez grzejnik I=P/U , Gdzie P - moc grzałki, U - napięcie na grzałce (między jej końcami) i rezystancja grzałki R=U/I .
Może być dwie możliwości podłączenia do sieci elektrycznej:
I=P/U
= 6000 / 220 = 27,3 A - prąd przepływający przez grzejnik.
Następnie musisz określić rezystancję grzejnika pieca.
R=U/I
= 220 / 27,3 = 8,06 oma.
Rysunek 1 Grzejnik drutowy w sieci prądu jednofazowego
Wymagane wartości średnicy drutu i jego długości zostaną określone w paragrafie 5 tego paragrafu.
Przy tego rodzaju połączeniu obciążenie rozkłada się równomiernie na trzy fazy, tj. 6/3 = 2 kW na fazę. Potrzebujemy więc 3 grzejników. Następnie należy wybrać metodę bezpośredniego podłączenia grzejników (obciążenia). Istnieją 2 sposoby: „GWIAZDA” lub „TRÓJKĄT”.
Warto zauważyć, że w tym artykule wzory na obliczenie aktualnej siły ( I ) i opór ( R ) dla sieci trójfazowej nie są zapisane klasyczny wygląd. Odbywa się to, aby nie komplikować prezentacji materiału na temat obliczania grzejników za pomocą terminów i definicji elektrycznych (na przykład nie wspomniano o napięciach i prądach fazowych i liniowych oraz zależnościach między nimi). Klasyczne podejście i wzory do obliczania obwodów trójfazowych można znaleźć w literaturze specjalistycznej. W tym artykule niektóre przekształcenia matematyczne przeprowadzone na klasycznych wzorach są ukryte przed czytelnikiem i nie ma to żadnego wpływu na wynik końcowy.
Przy podłączeniu typu „STAR”. grzejnik jest podłączony między fazą a zerem (patrz rys. 2). Odpowiednio napięcie na końcach grzejnika będzie wynosić U
= 220 V.
I=P/U
= 2000 / 220 = 9,10 A.
R=U/I
= 220 / 9,10 = 24,2 oma.
Rysunek 2 Grzejnik drutowy w sieci prądu trójfazowego. Połączenie w gwiazdę
Przy podłączeniu typu „TRÓJKĄT”. grzejnik jest podłączony pomiędzy dwiema fazami (patrz rys. 3). Odpowiednio napięcie na końcach grzejnika będzie wynosić U
= 380 V.
Prąd przepływający przez grzejnik -
I=P/U
= 2000 / 380 = 5,26 A.
Rezystancja jednego grzejnika -
R=U/I
= 380/5,26 = 72,2 oma.
Rysunek 3 Grzejnik drutowy w sieci prądu trójfazowego. Podłączenie według schematu „TRÓJKĄT”.
4. Po określeniu rezystancji grzejnika przy odpowiednim podłączeniu do sieci elektrycznej konieczne jest wybranie średnicy i długości drutu.
Przy określaniu powyższych parametrów konieczna jest analiza moc właściwa grzejnika powierzchniowego, tj. moc uwalniana na jednostkę powierzchni. Moc powierzchniowa grzejnika zależy od temperatury podgrzewanego materiału i konstrukcji grzejników.
Przykład
Z poprzednich punktów obliczeniowych (patrz paragraf 3 tego akapitu) znamy rezystancję grzejnika. Do piekarnika o pojemności 60 litrów o godz połączenie jednofazowe wynosi R
= 8,06 oma. Weźmy jako przykład średnicę 1 mm. Następnie, aby uzyskać wymaganą rezystancję, jest to konieczne l = R / ρ
= 8,06 / 1,4 = 5,7 m drut nichromowy, gdzie ρ
- wartość nominalna rezystancji elektrycznej 1 m drutu, [Ohm/m]. Masa tego kawałka drutu nichromowego będzie wynosić m = l μ
= 5,7 · 0,007 = 0,0399 kg = 40 g, gdzie μ
- masa 1 m drutu. Teraz musisz określić powierzchnię kawałka drutu o długości 5,7 m. S = l π re
= 570 · 3,14 · 0,1 = 179 cm 2, gdzie l
– długość drutu [cm], D
– średnica drutu [cm]. Zatem z powierzchni 179 cm2 należy uwolnić 6 kW. Rozwiązując prostą proporcję, stwierdzamy, że moc jest uwalniana z 1 cm 2 β = P/S
= 6000 / 179 = 33,5 W, gdzie β
- moc powierzchniowa grzejnika.
Powstała moc powierzchniowa jest zbyt duża. Podgrzewacz stopi się po podgrzaniu do temperatury, która zapewni wynikową wartość mocy powierzchniowej. Ta temperatura będzie wyższa niż temperatura topnienia materiału grzejnego.
Podany przykład ma charakter demonstracyjny zły wybórśrednica drutu, który zostanie użyty do wykonania grzejnika. W paragrafie 5 tego akapitu zostanie podany przykład prawidłowy wybórśrednica
Dla każdego materiału w zależności od wymaganej temperatury nagrzewania określa się dopuszczalną wartość mocy powierzchniowej. Można to ustalić za pomocą specjalnych tabel lub wykresów. W obliczeniach tych wykorzystywane są tabele.
Dla piece wysokotemperaturowe (w temperaturach powyżej 700 - 800 °C) dopuszczalna moc powierzchniowa, W/m2, wynosi β dodatkowy = β efekt · α , Gdzie β efekt – moc powierzchniowa grzejników w zależności od temperatury czynnika odbierającego ciepło [W/m2], α – współczynnik efektywności radiacyjnej. β efekt dobrane zgodnie z tabelą 3, α - zgodnie z tabelą 4.
Jeśli piekarnik niskotemperaturowy(temperatura poniżej 200 - 300 °C), wówczas dopuszczalną moc powierzchniową można uznać za równą (4 - 6) · 10 4 W/m2.
Tabela 3
| Temperatura powierzchni odbierającej ciepło, °C | β eff, W/cm 2 w temperaturze grzejnika, °C | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 | 1250 | 1300 | 1350 | ||
| 100 | 6,1 | 7,3 | 8,7 | 10,3 | 12,5 | 14,15 | 16,4 | 19,0 | 21,8 | 24,9 | 28,4 | 36,3 | |
| 200 | 5,9 | 7,15 | 8,55 | 10,15 | 12,0 | 14,0 | 16,25 | 18,85 | 21,65 | 24,75 | 28,2 | 36,1 | |
| 300 | 5,65 | 6,85 | 8,3 | 9,9 | 11,7 | 13,75 | 16,0 | 18,6 | 21,35 | 24,5 | 27,9 | 35,8 | |
| 400 | 5,2 | 6,45 | 7,85 | 9,45 | 11,25 | 13,3 | 15,55 | 18,1 | 20,9 | 24,0 | 27,45 | 35,4 | |
| 500 | 4,5 | 5,7 | 7,15 | 8,8 | 10,55 | 12,6 | 14,85 | 17,4 | 20,2 | 23,3 | 26,8 | 34,6 | |
| 600 | 3,5 | 4,7 | 6,1 | 7,7 | 9,5 | 11,5 | 13,8 | 16,4 | 19,3 | 22,3 | 25,7 | 33,7 | |
| 700 | 2 | 3,2 | 4,6 | 6,25 | 8,05 | 10,0 | 12,4 | 14,9 | 17,7 | 20,8 | 24,3 | 32,2 | |
| 800 | - | 1,25 | 2,65 | 4,2 | 6,05 | 8,1 | 10,4 | 12,9 | 15,7 | 18,8 | 22,3 | 30,2 | |
| 850 | - | - | 1,4 | 3,0 | 4,8 | 6,85 | 9,1 | 11,7 | 14,5 | 17,6 | 21,0 | 29,0 | |
| 900 | - | - | - | 1,55 | 3,4 | 5,45 | 7,75 | 10,3 | 13 | 16,2 | 19,6 | 27,6 | |
| 950 | - | - | - | - | 1,8 | 3,85 | 6,15 | 8,65 | 11,5 | 14,5 | 18,1 | 26,0 | |
| 1000 | - | - | - | - | - | 2,05 | 4,3 | 6,85 | 9,7 | 12,75 | 16,25 | 24,2 | |
| 1050 | - | - | - | - | - | - | 2,3 | 4,8 | 7,65 | 10,75 | 14,25 | 22,2 | |
| 1100 | - | - | - | - | - | - | - | 2,55 | 5,35 | 8,5 | 12,0 | 19,8 | |
| 1150 | - | - | - | - | - | - | - | - | 2,85 | 5,95 | 9,4 | 17,55 | |
| 1200 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 3,15 | 6,55 | 14,55 | |
| 1300 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 7,95 | |
Tabela 4
Spirale druciane, półzamknięte w rowkach okładzinowych
Spirale druciane na półkach w tubach
Grzejniki drutowe zygzakowate (prętowe).
Załóżmy, że temperatura grzejnika wynosi 1000°C, a chcemy nagrzać obrabiany przedmiot do temperatury 700°C. Następnie zgodnie z tabelą 3 dokonujemy selekcji β efekt = 8,05 W/cm2, α = 0,2, β dodatkowy = β efekt · α = 8,05 · 0,2 = 1,61 W/cm2 = 1,61 · 10 4 W/m2.
5. Po ustaleniu dopuszczalnej mocy powierzchniowej grzejnika należy to zrobić znajdź jego średnicę(dla grzejników drutowych) lub szerokość i grubość(do grzejników taśmowych), a także długość.
Średnicę drutu można określić za pomocą następującego wzoru: D
- średnica drutu, [m]; P
- moc grzejnika, [W]; U
- napięcie na końcach grzejnika, [V]; β dodatkowe
- dopuszczalna moc powierzchniowa grzejnika, [W/m 2 ]; ρ t
- rezystancja właściwa materiału grzejnika w danej temperaturze, [Ohm·m].
ρ t = ρ 20 tys
, Gdzie ρ 20
- właściwy opór elektryczny materiału grzejnika w temperaturze 20°C, [Ohm·m] k
- współczynnik korekcyjny do obliczania zmian oporu elektrycznego w zależności od temperatury (o ).
Długość drutu można określić za pomocą następującego wzoru:
l
- długość drutu, [m].
Wybierz średnicę i długość drutu nichrom X20N80. Specyficzny opór elektryczny materiału grzejnika wynosi
ρ t = ρ 20 tys
= 1,13 · 10 -6 · 1,025 = 1,15 · 10 -6 om m.
Sieć domowa jednofazowa
Dla pieca o pojemności 60 litrów podłączonego do jednofazowej sieci domowej, z poprzednich etapów obliczeń wiadomo, że moc pieca wynosi P
= 6000 W, napięcie na końcach grzejnika - U
= 220 V, dopuszczalna moc grzejnika powierzchniowego β dodatkowe
= 1,6 · 10 4 W/m2. Wtedy otrzymamy
Wynikowy rozmiar należy zaokrąglić do najbliższego większego standardu. Standardowe rozmiary drutu nichromowego i fechralnego można znaleźć w: Załącznik 2, Tabela 8. W tym przypadku najbliższy duży standardowy rozmiar wynosi Ř 2,8 mm. Średnica grzejnika D = 2,8 mm.
Długość grzejnika l = 43 m.
Czasami konieczne jest również określenie masy wymaganej ilości drutu.
m = l μ
, Gdzie M
- masa kawałka drutu, [kg]; l
- długość drutu, [m]; μ
- ciężar właściwy (ciężar 1 metra drutu), [kg/m].
W naszym przypadku masa grzejnika m = l μ = 43 · 0,052 = 2,3 kg.
Obliczenie to daje minimalna średnica drut, w którym w danych warunkach może pełnić funkcję grzejnika. Z punktu widzenia oszczędności materiału obliczenia te są optymalne. W tym przypadku można również zastosować drut o większej średnicy, ale wówczas jego ilość będzie się zwiększać.
Badanie
Wyniki obliczeń można sprawdzić w następujący sposób. Otrzymano drut o średnicy 2,8 mm. Wtedy będzie potrzebna nam długość
l = R / (ρ k)
= 8,06 / (0,179 1,025) = 43 m, gdzie l
- długość drutu, [m]; R
- rezystancja grzejnika, [Ohm]; ρ
- wartość nominalna rezystancji elektrycznej 1 m drutu, [Ohm/m]; k
- współczynnik korekcyjny do obliczania zmian oporu elektrycznego w zależności od temperatury.
Ta wartość pokrywa się z wartością uzyskaną w wyniku innego obliczenia.
Teraz należy sprawdzić, czy moc powierzchniowa wybranej przez nas grzałki nie przekroczy dopuszczalnej mocy powierzchniowej, która została stwierdzona w kroku 4. β = P/S = 6000 / (3,14 · 4300 · 0,28) = 1,59 W/cm2. Otrzymana wartość β = 1,59 W/cm 2 nie przekracza β dodatkowe = 1,6 W/cm2.
Wyniki
Zatem grzejnik będzie wymagał 43 metrów drutu nichromowego X20N80 o średnicy 2,8 mm, czyli 2,3 kg.
Trójfazowa sieć przemysłowa
Można również znaleźć średnicę i długość drutu potrzebnego do produkcji grzejników piecowych podłączonych do sieci prądu trójfazowego.
Jak opisano w paragrafie 3, każdy z trzech grzejników odpowiada za 2 kW mocy. Znajdźmy średnicę, długość i masę jednego grzejnika.
Połączenie w gwiazdę(patrz rys. 2)
W tym przypadku najbliższy większy rozmiar standardowy to Ø 1,4 mm. Średnica grzejnika D = 1,4 mm.
Długość pojedynczego grzejnika l
= 30 m.
Waga jednego grzejnika m = l μ
= 30 · 0,013 = 0,39 kg.
Badanie
Otrzymano drut o średnicy 1,4 mm. Wtedy będzie potrzebna nam długość
l = R / (ρ k)
= 24,2 / (0,714 · 1,025) = 33 m.
β = P/S = 2000 / (3,14 · 3000 · 0,14) = 1,52 W/cm2, nie przekracza dopuszczalnego limitu.
Wyniki
W przypadku trzech grzejników połączonych w konfiguracji „GWIAZDA” będziesz potrzebować
l
= 3 30 = 90 m drutu, czyli
M
= 3 · 0,39 = 1,2 kg.
Połączenie TRÓJKĄTNE(patrz rys. 3)
W tym przypadku najbliższy większy rozmiar standardowy to Ø 0,95 mm. Średnica grzejnika D = 0,95 mm.
Długość pojedynczego grzejnika l
= 43 m.
Waga jednego grzejnika m = l μ
= 43 · 0,006 = 0,258 kg.
Badanie
Uzyskano średnicę drutu 0,95 mm. Wtedy będzie potrzebna nam długość
l = R / (ρ k)
= 72,2 / (1,55 · 1,025) = 45 m.
Wartość ta praktycznie pokrywa się z wartością uzyskaną w wyniku innego obliczenia.
Grubość powierzchni będzie β = P/S = 2000 / (3,14 · 4300 · 0,095) = 1,56 W/cm2, nie przekracza dopuszczalnego limitu.
Wyniki
W przypadku trzech grzejników połączonych w układzie „TRÓJKĄT” będziesz potrzebować
l
= 3 43 = 129 m drutu, czyli
M
= 3 · 0,258 = 0,8 kg.
Jeśli porównasz 2 opcje podłączenia grzejników do sieci prądu trójfazowego omówione powyżej, zauważysz to „GWIAZDA” wymaga drutu o większej średnicy niż „TRÓJKĄT” (1,4 mm w porównaniu z 0,95 mm), aby zapewnić daną moc piekarnika wynoszącą 6 kW. Naraz wymagana długość drutu nichromowego przy podłączeniu zgodnie ze schematem „GWIAZDA” jest mniejsza niż długość drutu przy podłączeniu zgodnie ze schematem „TRÓJKĄT”(90 m w porównaniu do 129 m) i wręcz przeciwnie, wymagana masa jest większa (1,2 kg vs. 0,8 kg).
Zależność skoku spirali od jej średnicy i średnicy drutu dobiera się tak, aby ułatwić rozmieszczenie grzejników w piecu, zapewnić ich odpowiednią sztywność, wyeliminować miejscowe przegrzewanie się zwojów samej spirali, w maksymalnym możliwym stopniu, a jednocześnie nie utrudniać przenoszenia ciepła z nich do produktów.
Im większa średnica spirali i mniejszy jej skok, tym łatwiej jest umieścić grzejniki w piecu, jednak wraz ze wzrostem średnicy wytrzymałość spirali maleje i wzrasta tendencja jej zwojów do układania się jeden na drugim . Z drugiej strony, wraz ze wzrostem częstotliwości uzwojenia, zwiększa się działanie ekranujące części zwojów zwróconej w stronę wyrobów na resztę, a w konsekwencji pogarsza się wykorzystanie jej powierzchni, może również wystąpić miejscowe przegrzanie.
Praktyka ustaliła dobrze określone, zalecane zależności pomiędzy średnicą drutu ( D ), krok ( T ) i średnicę spirali ( D ) dla drutu o średnicy od 3 do 7 mm. Wskaźniki te są następujące: t ≥ 2d I D = (7 10) re dla nichromu i D = (4 6) re - do mniej wytrzymałych stopów żelazowo-chromowo-aluminiowych, takich jak fechral itp. W przypadku cieńszych drutów stosunek D I D , a także T zazwyczaj biorą więcej.
W przykładach uwzględniono jedynie metody obliczeniowe grzejniki drutowe. Oprócz drutu wykonanego ze stopów precyzyjnych, z taśmy można wykonać także grzejniki.
Obliczenia grzejników nie ograniczają się do wyboru ich rozmiarów. Również należy określić materiał, z jakiego ma być wykonany grzejnik, rodzaj grzejnika (drut lub taśma), rodzaj umiejscowienia grzejników i inne cechy. Jeśli grzejnik jest wykonany w formie spirali, konieczne jest określenie liczby zwojów i odstępu między nimi.
Mamy nadzieję, że artykuł był dla Ciebie przydatny. Zezwalamy na jego bezpłatną dystrybucję pod warunkiem zachowania łącza do naszej strony internetowej http://www.site
Jeśli znajdziesz jakieś nieścisłości, poinformuj nas o tym pod adresem e-mail info@site lub korzystając z systemu Orfus poprzez zaznaczenie tekstu z błędem i naciśnięcie klawiszy Ctrl+Enter.
