Прямой электронагрев сопротивлением
2.1 Удельное электрическое сопротивление проводников
2.2 Электроконтактный нагрев
2.3 Расчет параметров источника питания установок электроконтактного нагрева
2.4 Электродный нагрев. Материалы электродов
2.5 Допустимые плотность тока на электродах и напряженность электрического поля
2.6 Расчет электродных нагревательных устройств
Косвенный электронагрев сопротивлением
2.7 Требования к материалам и конструкция нагревательных элементов
2.8 Трубчатые нагревательные элементы
2.9 Электрический и конструктивный расчеты нагревательных элементов
2.10 Нагревательные провода и кабели
2.11 Схемы включения и регулирования мощности
Контрольные вопросы
Лабораторная работа 2
Лабораторная работа 3
Лабораторная работа 4
Лабораторная работа 12
Прямой электронагрев сопротивлением
2.1 Удельное электрическое сопротивление проводников
В зависимости от характера свободных электрических зарядов принято различать проводники первого и второго рода. Под действием электрического поля в проводниках первого рода (металлы) свободные заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводниках второго рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.
Отдельные проводники первого и второго рода характеризуются различной способностью проводить электрический ток.
Плотность электрического тока, А/ м2, в металлических проводниках
где γ - коэффициент пропорциональности, зависящей от концентрации, заряда и массы электрона, длины его свободного пробега в металле и скорости теплового движения, 1/(Ом∙м); Е - напряженность электрического поля, В/м.
Для растворов электролитов плотность электрического тока также определяется выражением (2.1), но коэффициент γ зависит от концентрации ионов, их заряда и подвижности.
Коэффициент γ пропорциональности называется удельной электрической проводимостью, а обратная ей величина ρ=1/γ - удельным электрическим сопротивлением проводников.
Сопротивление, Ом, проводника, поперечное сечение которого по всей длине постоянное,
где ρ - удельное электрическое сопротивлении проводника, Ом-м; l-его длина, м; S - площадь поперечного сечения, м2.
Удельное сопротивление проводниковых материалов зависит от наличия в них примесей. В электротехнике в качестве, проводниковых материалов используют главным образом медь, алюминий, сталь и сплавы высокого сопротивления. Удельное сопротивление чистых металлов меньше, чем металлов, содержащих примеси. Если в медь добавить 0,1,..0,2 % железа, то ее удельное сопротивление повысится в 1,5...2 раза.
С увеличением температуры проводника возрастает его сопротивление. Зависимость удельного сопротивления от температуры может быть выражена формулой
где ρ20 -удельное электрическое сопротивление при 20 °С, Ом·
м;  - превышение температуры на 20 °С; α, β, γ - постоянные коэффициенты.
При невысоких температурах проводниковых материалов ( 300 °С) можно ограничиться первым членом ряда, принимая
Удельное сопротивление металлических проводниковых материалов, наиболее часто используемых в электротехнических устройствах, составляет 1,7∙10-8...1,4∙10-6 Ом∙м.
Удельное сопротивление электролита зависит от степени диссоциации, которая определяется отношением числа диссоциированных молекул к общему их числу, находящемуся в растворе. Степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита.
Удельное сопротивление водных растворов электролитов можно легко найти экспериментально, при помощи коаксиально расположенных полых металлических цилиндров (рис. 2.1). Дно внешнего цилиндра выполнено из электроизоляционного материала, а внутреннее пространство между электродами заполнено исследуемым раствором. Цилиндры, подключенные к источнику переменного напряжения, являются электродами, подводящими электрическое напряжение к раствору. Контролируют силу тока, напряжение и температуру раствора. Сопротивление, Ом, раствора, заключенного между электродами, рассчитывают при температуре 20°С:
где U - напряжение, В; I - сила тока, А.
 |
Рис. 2.1.
Схема для определения удельного сопротивления электролитов. |
Для того чтобы это сопротивление выразить через удельное сопротивление и конструктивные параметры, определим сопротивление, Ом, бесконечно тонкого слоя раствора, находящегося на расстоянии r от оси цилиндров
Здесь dr - толщина слоя, м; r - расстояние от оси. м; h - высота цилиндров, м.
Сопротивление всего объема раствора
Приравнивая выражения (2.2) и (2.4), можно определить удельное электрическое сопротивление
Или удельную электропроводимость
С повышением температуры увеличивается степень диссоциации водных растворов электролитов, и поэтому возрастает их электропроводимость. Удельная электропроводимость, Ом/м, при любой температуре
где g
20 -удельная электропроводимость при температуре 20 °С, Ом/м;
а - коэффициент температурного изменения электропроводимости (0,025...0,035); t - температура °С.
Приняв а =0,025, формулу (2.9) можно переписать в виде
удельное электрическое сопротивление
При температуре 20°С в зависимости от концентрации солей удельное сопротивление воды колеблется от 2 до 100 Ом·
м. Оно уменьшается при нагреве в соответствии с формулой (2.12), а при закипании возрастает вследствие образования в воде воздушных пузырьков.
2.2 Электроконтактный нагрев
Электроконтактный нагрев, связанный с преобразованием электрической энергии в теплоту непосредственно в металлическом нагреваемом изделии (детали), применяют при нагреве заготовок или деталей из черных и цветных металлов для последующей горячей обработки давлением (ковка, штамповка, гибка и т. п.), для термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), а также с целью контактной электрической сварки давлением.
Принципиальная схема простейшей установки электроконтактного нагрева изделий D показана на рисунке 2.2. Основные элементы схемы: токоподводящие контакты К, через которые напряжение переменного тока вторичной обмотки трансформатора Т подводится к нагреваемому изделию, токопроводящие провода, шины, зажимные устройства и т. д. Для надежного прижатия контактов К. используют различные приспособления (гидравлические, пневматические, электромагнитные и др.), создающие дополнительное усилие F.
Количество теплоты, выделяемой в единицу времени, т. е. мощность, Вт,
где R - сопротивление детали переменному току. Ом: U - значение напряжения приложенного к проводнику, В.
 |
Рис. 2.2.
Схема установки электроконтактного нагрева |
Так как сопротивление R металлических тел с хорошей электропроводностью небольшое, для прямого их нагрева требуются значительные токи (сотни и тысячи ампер) при напряжении 5...25 В. Для прямого нагрева применяют переменный ток благодаря относительной простоте получения низкого напряжения от понижающих трансформаторов.
При протекании переменного электрического тока по проводнику (металлическая деталь) проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника, которая экспоненциально уменьшается по направлению к его оси, т. е.
где jx - плотность тока в слое проводника на расстоянии х от его поверхности, А/м2; jm - плотность тока на поверхности проводника, А/м2; zo - эквивалентная глубина проникновения тока, м.
Максимальное значение плотности тока на поверхности проводника, а в слое, толщина которого равна эквивалентной глубине проникновения, выделяется около 90 % общего количества теплоты. Это позволяет реальное распределение плотности тока по сечению заменить фиктивным, считая, что электрический ток проникает только до глубины zo, плотность его на всей этой глубине постоянна, а выделяющаяся тепловая энергия равна количеству теплоты при реальном токораспределении.
Эквивалентная глубина проникновения тока - расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока в е=2,71 раза меньше, чем на поверхности. Глубина
Здесь ρ -удельное электрическое сопротивление проводника, Ом-м; μr - относительное значение магнитной проницаемости проводника; f - частота тока, Гц.
Для f=50 Гц формула (4.15) приобретает вид
Таблица 2.1.
| Металл или сплав | Удельное сопротивление.
Ом·м | Глубина проникновения тока, 10-3 м, при частоте |
| 50 Гц. | 10 кГц | 1 МГц |
| Медь | 1,7-10-8 | 9.4 | 0.66 | 0,066 |
| Алюминий | 2,8-10-8 | 12,4 | 0,84 | 0,084 |
| Латунь | (0,07...0,2)10-6 | 19,5 | 1.37 | 0,137 |
| Сталь (μr =200) | 0,5-10-6 | 3,3 | 0.24 | 0,024 |
Эквивалентная глубина проникновения электрического тока на трех частотах для некоторых металлов и сплавов приведена в таблице 4.1.
Рассмотрим процесс нагрева проводника длиной l поперечного сечения S, изготовленного из немагнитного металла и имеющего форму цилиндра диаметро d.
Если плотность j тока распределяется одинаково по всему сечению проводника, как при постоянном токе то мощность, выделяющаяся в нем,
а при переменном токе с учетом неравномерного распределения плотности тока, т. е. поверхностного эффекта, мощность
где dS - элемент поперечного сечения S проводника.
Коэффициент поверхностного эффекта
Здесь P~
, P= - мощности, выделяющиеся в проводнике при переменном и постоянном токе.
Приняв во внимание, что
выражение (2.19) можно переписать в виде
где R~
, R= - сопротивления проводника на переменном и постоянном токе, Ом; I - сила постоянного тока или действующее значение переменного тока.
Мощность, выделяющаяся в проводнике при переменном токе,
С учетом эквивалентной глубины проникновения тока коэффициент поверхностного эффекта
Здесь  - площадь поперечного сечения проводника, в котором переменный ток протекает только на глубине zo от поверхности при постоянной плотности тока.
С некоторым приближением можно считать  ,
Для проводника круглого сечения единичной длины
Таким образом,
Для проводников из ферромагнитных материалов мощность определить сложно, так, как нужно учесть перемагничивание материала, а также зависимость магнитной проницаемости от тока, протекающего по проводнику.
2.3 Расчет параметров источника питания установок электроконтактного нагрева
В устройствах и установках электроконтактного нагрева определяют не параметры нагревательных устройств, поскольку ими служат нагреваемые детали, а параметры источника питания. Для выбора трансформатора необходимо знать его мощность Sтр и вторичное напряжение U2.
Если известны масса m, кг, детали, начальная t1 и конечная t2 температуры нагрева, °С, а также его продолжительность τ, с, то полезная мощность, Вт,
С учетом электрических и тепловых потерь общая мощность, Вт, подводимая к электронагревательному устройству,
где η - коэффициент полезного действия устройств электроконтактного нагрева (η =0,55 ...0,82).
Чтобы сократить электрические потери и достичь максимального КПД, суммарное сопротивление вторичной обмотки понижающего трансформатора, соединительных проводов и контактов должно быть минимальным.
Среднее значение вторичного напряжения за время нагрева
где R~ - среднее значение сопротивления детали при переменном токе за время нагрева.
Мощность трансформатора, В∙А, с учетом повторно-кратковременного режима работы установки
где ηтр - КПД трансформатора (0,9 ... 0,95); cosφ - средний коэффициент мощности (0,6 ... 0,85); ПВ - относительная продолжительность включения установки.
Относительная продолжительность включения установки
Здесь τр - время нагрева, с; τц= τр +τп - время цикла нагрева, с;
τп - время паузы между включениями установки, с.
Электроконтактный нагрев применяют главным образом для деталей, имеющих одинаковое сечение по длине. При этом тепловой КПД, определяемый как
зависит от геометрических параметров детали. Чем больше отношение длины l детали к поперечному сечению, S~, тем выше КПД. При небольшом значении этого отношения КПД резко снижается.
2.4 Электродный нагрев. Материалы электродов
В электродных нагревателях материал с ионной проводимостью, заключенный между электродами, образует проводник, в котором при протекании электрического тока по закону Ленца-Джоуля выделяется теплота, используемая для нагрева воды, молока, почвы и др. В устройствах электродного нагрева применяют исключительно переменный ток, так как при постоянном токе возникает электролиз. Несмотря на то, что принято считать, что при переменном токе электролиз не происходит, при больших плотностях тока это явление все же наблюдается. Поэтому нагрев выполняют при небольших плотностях тока, максимальное значение которых зависит от конфигурации применяемых электродов.
В качестве материалов для электродов можно использовать любые проводники. Однако следует помнить, что они должны противостоять коррозии в электрическом поле, при высокой температуре и большой влажности. При нагреве материалов, предназначенных для технических нужд, электроды изготавливают из конструкционной стали или латуни. При нагреве продуктов, идущих на кормление или поение животных, электроды не должны образовывать токсичные оксиды. В большей мере этому требованию отвечают уголь и графит. Однако их используют редко из-за нетехнологичности. Более распространены электроды из нержавеющей стали.
Простейшую электродную систему, состоящую из пары плоских электродов, применяют в нагревателях небольшой мощности, используемых редко. В мощных нагревателях применяют трехфазные системы, состоящие из нескольких электродов. Наиболее распространена система из трех плоских электродов, изогнутых под углом 120° (рис. 2.3,а), и электродов в виде коаксиальных цилиндров (рис. 2.3,б). Используют также плоские электроды (рис. 2.3,в), число которых для обеспечения симметричной нагрузки питающей сети принимают 3n+1, где n - целое число.
 |
Рис. 2.3.
Электродные системы: a) из электродов, изогнутых под углом 120о; б) из коаксиальных цилиндрических электродов: в) из плоских электродов |
Схема замещения устройств электродного нагрева зависит от конструкции систем и способности материала емкости проводить электрический ток. В случае применения емкости из электроизоляционного материала и электродных систем (см. рис. 2.3,а и 2.3,в) схемы замещения представляют собой треугольник, а в системе на рисунке 2.3, б-звезду независимо от электропроводящих свойств материала емкости. При использовании электродных систем (рис. 2.3a, и 2.3.в) с электропроводящими емкостями в схемах замещения появляются дополнительные резисторы, включенные в звезду.
Рассмотрим процесс нагрева в устройстве с одной парой плоских электродов.
Тепловая мощность, Вт, выделяющаяся в одном межэлектродном промежутке,
где U - межфазное напряжение, В; γ - удельная электрическая проводимость нагреваемого материала, Ом/м; S - площадь электродов, м2; l - расстояние между электродами, м.
Если принять, что напряжение U в процессе нагрева постоянное и конструктивные параметры S и l не изменяются, то вследствие зависимости удельной электрической проводимости нагреваемого материала от температуры мощность в процессе нагрева будет изменяться. Удельная электрическая проводимость увеличивается в соответствии с выражением (2.11) и мощность, Вт, при любом значении температуры t.
где P20-мощность при температуре 20 °С. Вт.
При закипании воды мощность нагревателя снижается, так как при этом уменьшается удельная электропроводимость воды.
2.5 Допустимые плотность тока на электродах и напряженность электрического поля
Так как электропроводимость большинства материалов, подлежащих электродному нагреву, объясняется присутствием в них воды, то максимальная плотность тока на электродах и в соприкасающихся с ними объемах нагреваемого материала ограничивается условиями недопустимости процесса электролиза. Предельная плотность тока jдоп, А/см2, не приводящая к электролизу, зависит от конструкции электродных систем. Для плоских электродов она может быть принята равной 0,5 А/см2 или рассчитана по эмпирической формуле,
где ρ2 - удельное сопротивление материала, Ом∙см, соответствующее наибольшему значению температуры и определяемое по выражению (2.12).
Для электродов цилиндрической формы максимальное значение допустимой плотности тока составляет 1,5...2 А/см2.
В установках периодического действия при неизменном напряжении на электродах плотность тока не остается постоянной в процессе нагрева. Она возрастает из-за уменьшения удельного электрического сопротивления материала при увеличении температуры. При конечной температуре нагрева плотность тока не должна превышать допустимого значения. В установках непрерывного действия она изменяется только в первоначальный период, когда установка выходит на сбалансированный по теплоте режим, т. е. температура выходящего из нагревателя продукта стабилизируется. Во всех зонах межэлектродного промежутка плотность тока определяется удельным сопротивлением материала при постоянном питающем напряжении и неизменных конструктивных параметрах электродной системы. Напряженность электрического поля в нагреваемом материале, зависящая от подведенного к электродной системе напряжения и расстояния между электродами, во время работы остается неизменной.
Вместе с этим по мере продвижения материала в нагревателе температура его повышается, а удельное сопротивление уменьшается. При входе в нагреватель холодный материал имеет минимальное удельное сопротивление, а на выходе-максимальное, соответствующее конечной температуре нагрева.
В электродных системах с плоскопараллельными электродами плотность тока, А/см2, во всех сечениях межэлектродного пространства
где U - напряжение на электродах, В; ρ - удельное сопротивление материала, Ом∙см; l - расстояние между электродами, см.
Для электродной системы, образованной коаксиальными цилиндрами, плотность тока, А/см2, в поперечном сечении межэлектродного пространства
Здесь r - текущий радиус точки в межэлектродном промежутке, см: r1 и r2 - радиусы наружного и внутреннего электродов, см.
Из формулы (2.38) следует, что плотность тока на электродах системы неодинакова. Она минимальна на внешнем электроде и максимальна на внутреннем.
Напряженность электрического поля Е, В/см, и плотность тока j, А/см3, в межэлектродном пространстве связаны следующей зависимостью:
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала при соответствующей температуре, Ом∙см.
Электрическое поле в межэлектродном пространстве, образованном плоскопараллельными электродами, однородно и его напряженность. В/см,
где l - расстояние между электродами, см.
Напряженность электрического поля, В/см, в межэлектродном пространстве, образованном двумя коаксиальными цилиндрами,
Из отношения (2.41) следует, что напряженность электрического поля максимальна на внутреннем электроде и минимальна на внешнем.
Фактическая максимальная напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве не должна превышать пробивную напряженность нагреваемого материала. Допустимая напряженность
Пробивная напряженность материалов при прочих равных условиях зависит от их удельного сопротивления.
2.6 Расчет электродных нагревательных устройств
При расчете электродных нагревательных устройств определяют потребную мощность и конструктивные параметры электродной системы. Потребную мощность находят с учетом технологических условий, которые характеризуют тот или иной производственный процесс. Для нагревателей периодического действия такими параметрами являются: объем V, м3, нагреваемого материала; его удельная теплоемкость С, Дж/(кг∙°С); плотность δ, кг/м3; удельное, электрическое сопротивление ρ, Ом∙м; время нагрева τ, с; начальная t1 и конечная t2 температуры, °С, нагрева. Необходимо также знать тепловой КПД нагревателя ηт, который ориентировочно может быть принят по аналогии с другими электронагревателями, работающими в сходных условиях. Для нагревателей непрерывного действия задается производительность L, м3/c устройства.
Полезную мощность нагревателей находят по формулам (1.4) и (1.5), а потребную по выражению
Вычисленная таким образом Рпотр предполагает работу с постоянной мощностью, что справедливо лишь для нагревателей непрерывного действия.
В нагревателях периодического действия мощность возрастает от P1 при начальной температуре t1 до P2 при конечной температуре t2. Мощность определяется удельным сопротивлением материала при соответствующих температурах. С учетом формулы (2.12)
Потребную мощностI>Рпотр можно найти череI>P1 I>P2 как
МощностI>P2 находят из уравнений - (2.44) и (2.45) по выражению
Расчетная мощность, Вт, для однофазных нагревателей
Для трехфазных нагревателей расчет выполняют для одной фазы, т. е.
Расчетный ток, А, нагревателя
где U - напряжение на электродах, В.
Для системы, состоящей из двух плоскопараллельных электродов, размещенных в емкости электроизоляционного материала, принимают действительную плотность тока j<jдоп, А/см2, и находят рабочую площадь, см2, каждого из электродов
По вычисленному значениI>S с учетом конструктивных ограничений определяют высотI>h, см, и ширинI>b, см, электродов так, чтобI>hb=S
Межэлектродное расстояние, см,
где ρ2 - удельное электрическое сопротивление материала при температуре t2. Ом∙см
На заключительном этапе расчета по формуле (2.40) определяют действительную напряженность электрического поля и сравнивают ее с допустимой. При этом должно выполняться условие (2.42),
Для цилиндрических коаксиальных электродов по выражению (2.50) находят площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высота электродов) или d1 (диаметр внутреннего электрода), рассчитывают другой параметр так, чтобы S=πd1h.
Затем находят диаметр внешнего электрода по формуле
Межэлектродное расстояние
Действительную напряженность электрического поля определяют по формуле (2.41) и проверяют по условию (2.42).
При расчете однофазных нагревателей непрерывного действия принимают
а трехфазных
Конструктивные их параметры рассчитывают по удельному электрическому сопротивлению ρкр материала
соответствующему средней температуре
Рассмотренную методику можно использовать для расчета нагревателей с электродными системами любой конструкции. Однако при этом эквивалентное сопротивление материала, заключенного в межэлектродном пространстве, определяют с учетом геометрических коэффициентов электродных систем. Их находят по известным формулам, которые приведены в литературе.
Косвенный электронагрев сопротивлением
2.7 Требования к материалам и конструкция нагревательных элементов
Нагревательные элементы - основной узел электротермического оборудования, реализующего косвенный нагрев методом сопротивления. Безотказная работа элементов во многом определяет надежность электротермических установок и возможность соблюдения требуемого технологического режима.
Материал нагревателей выбирают в первую очередь в зависимости от требуемой рабочей температуры оборудования и условий работы нагревательных элементов. Эти материалы должны быть жаростойкие (не окисляться в условиях высокой температуры), жаропрочны (сохранять прочностные качества при высоких температурах) и технологичны (легко поддаваться обработке при изготовлении установки). Перечисленным требованиям должны отвечать материалы всех конструктивных элементов, находящихся в рабочем пространстве электротермического оборудования.
К материалам нагревательных элементов также предъявляются специфические требования, обусловленные особенностями их работы. Так, удельное электрическое сопротивление элементов должно быть большое, что позволяет выбрать конструктивные параметры нагревателей таким образом, чтобы их можно было разместить в ограниченном объеме и включать непосредственно в сеть, не снижая напряжения. Кроме того, их температурный коэффициент сопротивления должен быть небольшим для того, чтобы сопротивление холодного и горячего нагревателей и, следовательно, мощность, потребляемая установкой из сети, изменялась незначительно. Физические свойства материала нагревательных элементов должны быть постоянные, т. е. противостоять старению - увеличению сопротивления с течением времени, что вызывает уменьшение мощности установки
Сплавы хромникелевые (нихромы), хромалюминиевые (фехрали) и хромникельалюминиевые (нихромы с алюминием) - основные материалы для нагревателей косвенного нагрева сопротивлением.
Хромникелевые сплавы в наибольшей мере отвечают требованиям, предъявляемым к материалам нагревательных элементов. Различают нихромы двойные, содержащие хром и никель (Х20Н80), и тройные, в состав которых, кроме никеля и хрома, входит железо (Х15Н60). Чем больше никеля в сплаве, тем выше его качество и рабочая температура. Максимальная рабочая температура двойного нихрома Х20Н80 - 1100 °С. В низкотемпературных электротермических установках достаточно надежно работают более дешевые двойные нихромы, содержащие 24...27 % хрома и 17...20 % никеля (Х25Н20 и Х23Н18).
Стоимость хромалюминиевых сплавов по сравнению с нихромами более низкая, прочность при высоких температурах меньшая, обрабатываются они хуже. Для нагревателей с рабочей температурой до 700 °С применяют фехраль Х13Ю4 - сплав, содержащий помимо железа 13 % хрома и 4 % алюминия.
Характеристики хромникельалюминиевых сплавов (например, Х15Н60ЮЗА) по сравнению с безникелевыми улучшены (рабочая температура до 1100°С), и стоимость их более низкая за счет уменьшения содержания никеля.
В электротермических установках с рабочей температурой выше 1250 °С применяют неметаллические нагреватели из карборунда, дисилицида молибдена, графита или из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, ниобия и др.).
Температурный коэффициент сопротивления нагревателей, изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие, сопротивление зависит от значения тока, протекающего по нагревателю. Однако вследствие дешевизны и недефицитности их широко применяют в низкотемпературных электротермических устройствах с рабочей температурой 300...400°С.
Нагревательные элементы по конструктивному исполнению принято разделять на открытые, закрытые и герметические.
Открытые нагреватели из металлических сплавов изготавливают из проволоки или ленты, свернутых в спираль или изогнутых зигзагообразно (рис. 2.4, а) и б). Открытые спиральные и зигзагообразные нагреватели крепят на керамических жаропрочных изоляторах в рабочем пространстве электротермических установок. Теплота от таких нагревателей передается конвекцией и излучением. Чем выше температура нагревателя, тем большая часть энергии инфракрасным излучением передается нагреваемому материалу.
 |
Рис.2.4
Нагревательные элементы;
а и б - открытые соответственно в виде спирали и зигзагообразные; в - закрытые; 1 - нагреватель; 2 - защитный кожух. |
Помимо проволочных нагревателей в качестве источников инфракрасного излучения в электротермических установках используют специальные лампы (см. раздел "Электрическое освещение и облучение").
В нагревательных элементах закрытого исполнения (рис 2.4, в) нагреватель находится в защитном кожухе, предохраняющем его от механического воздействия окружающей среды. Защищенные нагревательные элементы передают теплоту в основном конвекцией.
В электротермических устройствах открытые и закрытые элементы используют из-за их простоты и невысокой стоимости. Однако наиболее распространены в электротермическом оборудовании сельскохозяйственного назначения герметические нагревательные элементы или ТЭНы.
2.8 Трубчатые нагревательные элементы
Трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы) применяют для нагрева воды, воздуха, растворов электролитов и других сред. ТЭНы можно размещать в нагреваемой среде. Они надежно работают при вибрациях и ударных нагрузках, отличаются электро- и пожароопасностью, повышенным сроком службы.
ТЭН (рис. 2.5, а) представляет собой тонкостенную металлическую трубку (оболочку) 1 с наполнителем, в которую запрессована нагревательная спираль 2 из проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением. В качестве наполнителя 4 используют периклаз - кристаллический оксид магния или кварцевый песок с хорошими электроизоляционными и теплопроводящими свойствами. Концы спирали соединены с контактными стержнями 3, которые через изоляторы 5 выходят наружу нагревателя и служат для присоединения к ним проводов питающей сети. Контактные стержни и проходные изоляторы надежно герметизируют термовлагостойким лаком.
Материал оболочки (медь, латунь, углеродистая и нержавеющая сталь) определяет механическую прочность ТЭНа, его химическую стойкость и зависит от назначения электронагревателя. ТЭНы с оболочкой из нержавеющей стали, имеющей повышенную жаропрочность и коррозионную стойкость, применяют для нагрева агрессивных сред, а также при работе с температурой на оболочке ТЭНа свыше 450 °С. ТЭНы с медной оболочкой используют при небольших температурах в средах, вызывающих коррозию других металлов. Например, для подогрева воды предназначены трубчатые нагревательные элементы из медной трубки, покрытой оловом, никелем или хромом. Стальные трубы используют для изготовления ТЭНов, нагревающих сухой воздух, масло и т. и. при температуре оболочки, не превышающей 400...450 °С. Для ТЭНов, работающих при повышенной влажности воздуха, температура которых может превышать 450 °С, чаще всего применяют трубы из высоколегированной стали.
 |
Рис.2.5.
Герметические нагревательные элементы:
а - разрез ТЭНа; б - разновидности ТЭНов; в - ТЭН с оребрением; 1- оболочка (трубка); 2 - нагревательная спираль; 3 - контактный стержень; 4 - наполнитель (периклаз); 5 - изолятор; 6 - оребрение. |
В сельскохозяйственном производстве используют трубчатые электронагреватели серий НВ, НВЖ, ТЭН, ЭТ для воды, слабых растворов солей, щелочей и кислот; НВС, ТЭН, ЭТ для нагрева воздуха до 350 °С в установках и помещениях; НВСЖ для нагрева воздуха до 600 °С; НММ, НММЖ, ТЭН, ЭТ для минеральных масел и пищевых жиров. Обозначение Н [1] Ж [2] [3] нагревателей серии НВ, НВЖ, НВС, НВСЖ, НММ, НММЖ расшифровывают следующим образом: Н - нагреватель; [1] - В - воды, ВС - воздуха, ММ - масла, Ж - с жаропрочной оболочкой; [2] -развернутая длина, м; [3] - номинальная мощность, кВт. Обозначение ТЭН - [1] [2] [3] / [4] [5] [6] расшифровывается так: Т - трубчатый; Э - электрический; Н - нагреватель; [1] - развернутая длина, см; [2] - условное обозначение длины контактного вывода; [3] - наружный диаметр оболочки (трубки), мм; [4] - номинальная мощность, кВт; [5] - условное обозначение нагреваемой среды; [6] - номинальное напряжение, В. Обозначение ЭТ-[1] нагревателей серии ЭТ указывает: Э - электронагреватель; Т - трубчатый; [1] - развернутая длина, см.
Для рационального размещения ТЭНов в рабочей зоне электротермического оборудования им придают различную форму (рис. 2.5, б) и устанавливают при помощи крепежных устройств (штуцеров, планок и т. п.), соединенных с оболочкой сваркой, пайкой, или опрессовкой.
При нагреве газообразных сред для увеличения теплоотвода от ТЭНов применяют оребрение 6 (рис. 2.5, б), выполняемое из металла с хорошей теплопроводностью. Это способствует сокращению габаритных размеров электротермических установок и, следовательно, их металлоемкости.
Основной параметр, характеризующий ТЭНы, - удельная поверхностная мощность PF, Вт/см2,
где Р мощность ТЭНа, Вт; D - диаметр, см, la - активная длина, см, ТЭНа.
Предельное значение РF ТЭНа определяется условиями работы, допустимыми температурами спирали, наполнителя и оболочки. Для ТЭНов, имеющих стальную оболочку, нихромовую нагревательную спираль и периклаз в качестве наполнителя, допустимая удельная мощность составляет от 2 Вт/см2 при нагреве воздуха в условиях свободной конвекции до 11 Вт/см2 при нагреве воды в условиях вынужденнной конвекции. Чтобы определить число нагревателей для конкретных установок, подсчитывают потребную мощность, находят по формуле (1.41) общую мощность Руст электротермической установки и по каталогу для соответствующих условий работы определяют тип ТЭНа и его номинальную мощность P1. Число ТЭНов для данной установки
Для равномерной загрузки трехфазной питающей сети число ТЭНов должно быть кратным трем.
2.9 Электрический и конструктивный расчеты нагревательных элементов
Цель электрического расчета нагревателей - определение их размеров (сечения и длины). Исходные данные: мощность Рн, Вт, одного нагревателя; напряжение U питающей сети, В; условия работы нагревательных элементов.
Расчет основывается на том, что нагреватель можно рассматривать как элемент электрической цепи, для которого справедливы законы электротехники.
Так, мощность, Вт, нагревателя в соответствии с законом Ленца-Джоуля
где UH - напряжение питания нагревателя, В; RH - сопротивление нагревателя, Ом.
Одновременно нагреватель можно рассматривать как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме мощность Рн полностью передается окружающей среде. Уравнение теплообмена нагревателя с окружающей средой при теплопередаче:
теплопроводностью
конвекцией
излучением
где λ - коэффициент теплопроводности. Вт/м.°С;t1, T1 и t2, T2-температуры нагреваемой среды (материала) и нагревателей, °С и K; FT, FK, Fи - площади поверхностей, участвующих в теплообмене теплопроводностью, конвекцией и излучением, м2; αк - коэффициент конвективной теплоотдачи; 5,7- постоянная Стефана-Больцмана; Спр - приведенная степень черноты тел, участвующих в теплообмене; α1 -коэффициент эффективности излучения нагревателей (α1=0,3...0,7); ωт, ωк, ωи-удельные поверхностные мощности нагревателей при теплообмене теплопроводностью, конвекцией, излучением, Вт/м2.
Удельная поверхностная мощность нагревателей при теплопередаче:
теплопроводностью
конвекцией
излучением
Зная конкретные условия работы нагревателей, можно определить соответствующие удельные поверхностные мощности. Однако их расчет по формулам (2.64), (2.65) и (2.66) носит приближенный характер, так как входящие в них коэффициенты являются сложными функциями многих переменных.
Обозначив в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя основные размеры нагревателей находят из следующих уравнений:
где Rн - сопротивление нагревателя, Ом; U - напряжение, подведенное к нагревателю. В; Рн-мощность нагревателя, Вт; ρ - удельное сопротивление материала нагревателя, Ом∙м; l -длина нагревателя, м; S - площадь поперечного сечения нагревателя, м2; Пl=F - площадь боковой поверхности нагревателя, м2; П - поперечный периметр нагревателя, м.
Из уравнений (2.67) и (2.68)
или
Для нагревателя круглого сечения
где d - диаметр проволоки нагревателя, м.
Подставив эти значения в формулу (5.13), получим расчетный диаметр нагревателя
По значению d подбирают ближайший больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина проволочного нагревателя
Для ленточного нагревателя
где a,b - толщина и ширина ленты, м, m =b/a - отношение ширины к толщине ленточного нагревателя.
Расчетная толщина нагревателя прямоугольного сечения
и его длина
При рабочей температуре больше 700°С не рекомендуется применять для элементов проволоку диаметром меньше 5 мм и ленту толщиной менее 1,5 мм, так как малое сечение из-за окисления материала приводит к значительному сокращению срока службы нагревателей.
Из формул (2.72) и (2.75) видно, что при снижении напряжения питания расчетное сечение нагревателей увеличивается, а расчетная длина уменьшается. Значит, размещение нагревателей в рабочем пространстве печи облегчается. При этом повышается срок их службы.
Основные параметры нагревателей можно рассчитать упрощенно по рабочему току и расчетной температуре. Температуру рабочей поверхности нагревателя tраб принимают такой, чтобы она была больше технологически необходимой температуры материала.
Для открытого нагревательного элемента
где tраб -температура рабочей поверхности нагревательного элемента. °С; tрасч - расчетная температура нагревателя, °С.
Зная рабочий ток и расчетную температуру, по таблице 5.1 Определяют диаметр проволоки. Таблица составлена для нагревательного элемента из неизолированной нихромовой проволоки круглого сечения, подвешенного в неподвижной воздушной среде.
Нагревательный провод может быть намотан в виде спирали или уложен равномерно на керамический каркас и защищен пластинами из жаропрочного электроизоляционного материала или металла, что повышает температуру элементов.
Чтобы выбрать сечение нагревателя по таблице 5.1, находят расчетную температуру по формуле
где kM - коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение условии охлаждения нагревателя из-за его конструктивного исполнения; kc - коэффициент среды, учитывающий улучшение, фактических условий охлаждения нагревателя по сравнению с неподвижной воздушной средой.
Для нагревательного элемента из проволоки, свитой в спираль, kM= 0,8...0,9; свитой в спираль на керамическом основании kM=0,6...0,7; для проволоки нагревательных плиток и некоторых трубчатых водонагревателей kM=0,5...0,6; для проволоки лабораторных печей, электронагревателей пола и почвы kM=0,3...0,4. Меньшие значения kM соответствуют проволочным нагревателям меньшего диаметра, большие - большего диаметра.
При работе в условиях, отличающихся от свободной конвекции, принимают kc=1,1...1,5 для нагревательных элементов в воздушном потоке; kc=2,5 - в неподвижной воде; kc=3,0...3,5 - в потоке воды,
Температура рабочей поверхности нагревателя должна удовлетворять следующему условию:
где tmах - максимальная допустимая температура для материала нагревателя.
По известной расчетной мощности нагревательного элемента определяют его рабочий ток
где IH, PH, U -сила тока, мощность и напряжение нагревателя.
С учетом выражений (2.67) и (2.70) длина нагревателя
Здесь d - диаметр проволоки нагревателя, м; ρ - удельное сопротивление материала нагревателя при действительной температуре, Ом∙м.
Проволочные нагреватели ориентировочно можно также рассчитать по допустимой плотности тока материала. Сечение нагревателя
где jдоп - допустимая плотность тока для материала нагревателей, А/мм2 (для нихромовой проволоки jдоп:=4...30 А/мм2. Большие значения плотности тока соответствуют большим диаметрам и более высоким температурам нагревателя).
По вычисленному сечению рассчитывают диаметр проволоки нагревателя, принимают стандартное его значение и по выражению (2.81) находят длину.
В рабочем пространстве электротермических устройств нагреватели изгибают зигзагообразно или придают им форму спирали.
Для проволочных зигзагообразных нагревателей диаметром d=6... 15 мм высоту А зигзага принимают от 200 до 400 мм по условию механической прочности (см. рис. 2.4,6). Шаг волны выбирают  , с тем, чтобы бездефектно изогнуть проволоку.
У ленточных зигзагообразных нагревательных элементов высоту зигзага принимают А ≤ 100 мм2, а шаг волны lш≥2b. Конструктивная длина проволочного и ленточного зигзагообразных нагревательных элементов
где n - число волн в нагревательном элементе.
Для спиральных нагревательных элементов из проволоки принимают шаг спирали h > (2...4)d, с тем чтобы соседние ее витки существенно не экранировали одна другую.
Диаметр спирали выбирают из условий обеспечения механической прочности - для никельсодержащих сплавов, обладающих повышенной жаропрочностью, Dсп =(7…10)d, для хромалюминиевых сплавов Dсп =(5…7)d.
Конструктивная длина спирального нагревательного элемента
где п - число витков спирали; h - шаг спирали; l - длина проволоки в нагревательном элементе; Dсп - диаметр спирали.
2.10 Нагревательные провода и кабели
Специальные, провода и кабели, являясь разновидностью нагревательных элементов при электронагреве сопротивлением, имеют токопроводящую жилу из стали или нихрома, покрытую сверху специальной изоляцией.
Провода используют в технологических процессах сельскохозяйственного производства, в которых рабочая температура не превышает 40°С и применение других нагревательных устройств затруднено по условиям обеспечения электробезопасности или по другим причинам; для обогрева почвы и воздуха в сооружениях защищенного грунта, пола в животноводческих и птицеводческих помещениях, водопроводов на вводе в производственные помещения и т.д.
Нагревательные провода ПОСХП, ПОСХВ и ПОСХВТ имеют однопроволочную стальную токоведущую жилу и полиэтиленовую или поливинилхлоридную изоляцию. В проводе ПНВСВ повышенной надежности, кроме того, есть дополнительная изоляция из фторопластовой ленты, экран из стальных проволочек диаметром 0,3 мм и наружная поливинилхлоридная оболочка. Такая конструкция нагревательного провода позволяет в 4...5 раз увеличить срок его службы.
Основные технические данные проводов приведены в таблице 5.2.
В отличие от проводов нагревательные кабели могут иметь до трех токопроводящих жил из нихрома. Их изолируют асбестом, селиконом, кристаллическим оксидом магния, кремний с органической резиной, периклазом и другими теплостойкими материалами.
Снаружи кабель покрыт оболочкой из свинца, алюминия, меди, нержавеющей стали или поливинилхлоридного пластика, предохраняющей его от воздействия внешней среды и механических повреждений. По сравнению с нагревательными проводами кабели имеют большие удельные, мощности и рабочие температуры. Так, кабели с наружной оболочкой из нержавеющей стали и магнезитовой изоляцией рассчитаны на температуру до 400 °С. В некоторых случаях их удобнее использовать, чем ТЭНы, так, как при монтаже кабели можно свободно изгибать, придавая им необходимую форму без нарушения их целостности.
Промышленность выпускает нагревательные кабели типов КНРПВ и КНРПЭВ с одной и двумя токоведущими жилами и оболочкой из поливинилхлоридного пластика. Кабели рассчитаны на номинальное напряжение 220 В и устойчивы к воздействию температуры окружающей среды от - 50 до +60 °С. Электрическое сопротивление изоляции кабеля длиной 1 км составляет 100 МОм.
Нагревательные устройства из проводов и кабелей выполняют фиксированным монтажом. В зависимости от технологического назначения они могут быть уложены зигзагообразно или в виде параллельных нитей непосредственно в нагреваемую среду (почву, бетонный пол и др.), подвешены на изоляторах (при обогреве воздуха в парниках и теплицах), проложены в трубах (обогрев насестов).
Исходные данные для расчета таких нагревательных устройств: технологически необходимая мощность Руст, Вт, напряжение U, В, питания нагревателей. Задачей расчета является определение длины lс, м, провода или кабеля в одной нагревательной секции и числа n секций.
Расчет выполняют в такой последовательности. Задаются рабочей удельной мощностью провода или кабеля длиной 1 м по условию
где р1раб=р1доп - рабочая удельная и допустимая удельная мощности провода или кабеля длиной 1 м, Вт/м.
Допустимая удельная погонная мощность р1доп зависит от условий работы нагревательных элементов. При обогреве полов животноводческих помещений и почвы в сооружениях защищенного грунта она составляет для проводов ПОСХВ и ПОСХП около 11 Вт/м, а для проводов ПОСХВТ и ПНВСВ - 16 Вт/м.
По технологически необходимой общей мощности Руст устройства и принятому значению р1раб находят общую длину, м, нагревательного провода
Принятому значению мощности р1раб соответствует напряжение, В, приходящееся на нагреватель длиной 1 м.
где R1 - сопротивление привода или кабеля длиной 1 м, Ом.
Длина нагревательной секции, м, подключенной к питающему напряжению U,
а число секций
Число секций n должно быть целым и кратным трем, с тем чтобы равномерно загрузить фазы питающей сети нагревательными секциями. Если это не получилось сразу, то изменяют значение р1раб и повторяют весь расчет.
2.11 Схемы включения и регулирования мощности
Нагревательные элементы электротермических установок и устройств рассчитывают на определенную мощность и определенное напряжение. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательный элемент подключают к питающей сети соответствующего напряжения. Количество теплоты, выделяемое нагревателем в единицу времени, т. е. его мощность, находят по уравнению (2.60).
В процессе работы электротермических установок мощность электронагревателей можно регулировать, изменяя напряжение и сопротивление.
Наиболее просто мощность регулируют ступенчато, переключая нагревательные элементы на различные схемы. При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.
В большинстве элементов электротермических установок применяют стандартное сетевое напряжение.
Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют однофазными, большей мощности - трехфазными.
Однофазные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции) (рис. 2.6, а). При использовании двух нагревательных элементов мощность регулируют за счет переключения секций, включаемых параллельно (максимальная мощность) или последовательно (минимальная мощность). Среднюю мощность нагрева получают при включении одной секции.
Если сопротивление одного нагревателя равно R1H, то при параллельном включении n нагревателей общее сопротивление нагревательного устройства
 |
Рис. 2.6
Схемы включения нагревательных секции:
а) и б) - одно и трехфазных нагревательных устройств |
При включении одного нагревателя полное сопротивление устройства
При последовательном включении n секций полное сопротивление нагревательного устройства
Для рассмотренных здесь способов включения нагревательных элементов мощность составит соответственно:
Если принять мощность P2 за единицу, то соотношение мощностей
Так, при n=2 соотношение мощностей
т.е. диапазон регулирования мощности равен 4.
Для равномерной загрузки питающей сети в трехфазных электротермических устройствах число секций кратно трем.
При включении трехфазных приемников в симметричную звезду или треугольник (рис. 2.6, б) мощность определяют по формуле
где Рф - мощность нагревательных элементов одной фазы, Вт; Uф - фазное напряжение, В; Iф-ток фазы, А; cosφ-коэффициент мощности для нагревательных элементов, обладающих активным сопротивлением (cos φ=1).
Для трехфазной симметричной системы справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами:
для симметричной звезды
для симметричного треугольника
При наличии трех секций, каждая из которых рассчитана на линейное напряжение Uл, нагревательные элементы могут быть соединены в звезду или треугольник.
При соединении секции звездой мощность нагревательных элементов
где R1H -сопротивление одного нагревателя, Ом.
При соединении секции треугольником мощность нагревательных элементов
Отношение мощностей РY и РΔ составит
Таким образом, переключением со звезды на треугольник можно получить общую мощность нагревательных элементов в соотношении 1:3.
Изменяя схему их включения, мощность можно регулировать ступенчато, что приемлемо в тех случаях, когда по условиям технологического процесса не требуется точное поддержание температуры.
При плавном регулировании мощности изменением напряжения, питающего электротермическую установку, можно более точно поддерживать температуру.
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве и области применения электрокалорифер-ных установок серий СФОО и СФОЦ.
2. Как регулируют тепловую мощность установки и температуру воздуха на выходе калорифера?
3. Почему калорифер устанавливают со стороны всасывающего патрубка вентилятора?
4. Какая максимальная температура воздуха допускается в отопительных калориферах?
5. Как изменятся потребляемая мощность и температура поверхности ТЭНов при остановке вентилятора?
6. Какая блокировка предусмотрена в схеме управления электрокалориферной установкой?
7. Объясните работу электрокалориферной установки в автоматичском режиме.
8. К каким последствиям может привести неработающий вентилятор?
9. Чем измеряют скорость воздуха в калорифере?
10. Как будет работать установка, если изменится фазировка в сети?
1. Как обнаружить неисправные ТЭНы в электрокалорифере?
12. В каких случаях выходят из строя предохранители ТЭНов?
13. Расскажите о преимуществах ТЭНов, сравнивая их с другими нагревателями.
14. По каким параметрам выбирают ТЭНы?
15. Какими свойствами должен обладать материал наполнителя?
16. От чего зависит удельная мощность ТЭНа?
17. Почему при включении водонагревателя без воды ТЭНы выходят из строя?
18. Структура условного обозначения ТЭНа.
19. Каким должно быть сопротивление изоляции ТЭНов в течение всего срока эксплуатации?
20. Что необходимо выполнить, если сопротивление изоляции ТЭНа не соответствует норме?
21. От чего зависят параметры трубки ТЭНа?
22. Достоинства и недостатки элементных водонагревателей.
23. Области использования элементных водонагревателей.
24. Расскажите об устройстве и принципе действия аккумуляционного водонагревателя.
25. Перечислите основные правила техники безопасности при использовании элементных водонагревателей и особенности их эксплуатации.
26. Где устанавливаются датчики контроля температуры воды водонагревателей?
27. Перечислите c.-х. технологические процессы, выполнение которых связано с использованием электроводонагревателей.
28. Каковы преимущества электроводонагревателей перед огневыми водонагревателями?
29. В каких режимах могут работать электроводонагреватели?
30. Чем отличаются электродные водонагреватели от элементных?
31. Расскажите об устройстве и принципе работы электродного нагревателя.
32. Почему в электродных водонагревателях ограничиваются плотность тока на электродах и напряжённость поля между ними?
33. Когда на корпусе электродного водонагревателя появляется наибольший потенциал по отношению к земле?
34. Как находят удельное электрическое сопротивление воды опытным путём?
35. Как регулируется мощность в электродном водонагревателе?
36. От каких параметров зависит КПД электродного нагревателя?
37. Назовите преимущества и недостатки электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева по сравнению с другими электродными нагревателями.
38. Принцип действия электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева.
39. Где применяется электродный нагрев?
40. Назовите типы электродных систем.
41. Каким недостатком обладает установка с изменением напряже-ния на электродной системе?
42. Какие установки являются наиболее перспективными?
43. Принцип действия саморегулирующихся нагревательных устройств.
| 
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
