Проектирование электронагревателей

Электронагреватели по конструкции и формам достаточно простые устройства. Но! При их производстве очень важно с высокой точностью выполнить все детали и соединить их в единый прибор, т.к. от этого зависит качество самого прибора и соответствие всем указанным параметрам. Просчет параметров также задача не из простых, чтобы выполнить данную задачу с высокой точностью стоит иметь много навыков и опыта ведь решение технологических задач не всегда совпадает с литературными основами.

К основным характеристикам, оказывающим влияние на работу абсолютно любого нагревательного элемента можно в первую очередь отнести его габариты, тип применяемого материала для изготовления ТЭН, показатели напряжения питания, силу тока, рабочую температуру… Помимо перечисленного существуют еще и отдельные критерии, которые характерны определенным видам электронагревателей.  Например, в случае использования для нагревателя в качестве греющего элемента резистивной проволоки с круглым поперечным сечением придется рассчитать ее длину, само сечение показатели растяжения и т.д., а если применена плоская ленточная проволока, то рассчитать придется ее ширину, толщину, площадь поверхности и массу.

Данные характеристики касаются лишь греющего элемента. Помимо этого придется учитывать ее размещение в греющем оборудовании и возможности изменения характеристик при работе в разных средах. Например, важно понимать какой изоляционный материал лучше использовать для поддержания греющей проволоки, как правильно подобрать размер этого изолятора, будет ли размер изоляции как-то влиять на монтаж электронагревателя в оборудование. Не стоит также пренебрегать условиями, которые могут повлиять на нагреватель при разогреве спирали. При частом использовании и высокой температурной подаче греющий элемент может провисать. Эти моменты следует просчитать и сразу по максимуму устранить — использовать увеличенное количество изоляторов или меньшее, но применить изоляторы больших размеров.


Проектирование электронагревателей


Если в конструкцию нагревательного устройства входит сразу несколько спиралей высокого сопротивления, которые способны подключаться отдельно, придется просчитать их параметры и возможности в условиях разных вариантов подключения к сети. В случае перегорания одной из спиралей, как поведут себя оставшиеся? Какая нагрузка будет на них воздействовать и как они ее перенесут?

Конструкционные решения электронагревателей

На основе следующих расчетов резистивной проволоки можно руководствоваться, подбирая электронагревателей для собственного оборудования.

Работа электронагревателя на основе такого элемента, как проволока подразумевает ее противостояние электрическому току. Данное сопротивление в последующем преобразует электроэнергию в тепловой поток. Тепло в свою очередь связано с удельным электросопротивлением металла, что определяется как единица длины площади поперечного сечения. Линейное сопротивление отрезка ленты или провода рассчитывается по удельному электросопротивлению материала проводника (той же ленты или проволоки).

Обозначения:

ρ = удельное электросопротивление (мкОм · см)

R = сопротивление проводника при 20 ° C (Ом)

d = Диаметр проволоки (мм)

t = толщина ленты (мм)

b = ширина ленты (мм)

l = длина ленты или провода (м)

a = Площадь поперечного сечения греющего элемента (мм²)

Для проволоки круглого сечения

а = π x d² / 4 

Для ленты

a = t ∙ (b - t) + (0,786 x t²)

R = (ρ ∙ l / a) ∙ 0,01

Лента, как греющий элемент обладает значительно большей площадью поверхности и подает более эффективное излучение тепла в направленном потоке. Это делает ленту идеальным материалом для работы во многих промышленных направлениях. Лентой оснащают плоские электронагреватели миканитового типа.

Данная категория сплавов резистивного типа характеризуется высокой устойчивостью к коррозии. После первого включения в работу на сплаве образуется оксидный слой, который в будущем выполняет защитную функцию, предотвращая вступление элемента в реакцию с кислородом. Выбирая рабочую температуру греющего элемента, учитывайте материал ее исполнения и атмосферу, в которой сплаву придется работать. Приведенные далее уравнения можно использовать только, как руководство. Их нельзя считать универсальными абсолютно для всех рабочих требований, т.к. существует огромное количество видов оборудования со значительными отличиями, переменными конструкции элементов и разных эксплуатационных условий..

Электросопротивление в условиях рабочей температуры

Существуют исключения, при которых металлический материал будет изменять свое сопротивление, зависимо от температурной подачи. Эти факторы следует просчитать, проектируя нагревательное устройство.

Уровень сопротивления греющего элемента по правилам рассчитывают при рабочей температуре. Но, в первую очередь важно изначально рассчитать его в условиях комнатной температуры. Для этого следует разделить сопротивление в условиях рабочей температуры на коэффициент термического сопротивления на основе формуле представленной ниже:

Значения:

F = коэффициент термической стойкости

R t = сопротивление греющего материала при рабочей температуре (Ом)

R = сопротивление элемента при 20 ° C (Ом)

R = R t / F

Нагрузка на площадь поверхности

Разрабатывать также можно устройство нагрева с произвольными размерами. В теории каждый из них даст мощность необходимой нагрузки или плотность мощности, которая рассеивается на единицу площади. Важно взять во внимание, что нагрузка, производимая на поверхность греющего материала не должна быть излишне высокой, т.к. тепловая подача способом тепловой проводимости, конвекции или методом излучения от проволоки или ленты может быть замедленной, что приведет к перегреву греющего элемента и преждевременной его поломки.

Предлагаемые параметры поверхностной нагрузки для рассматриваемого варианта прибора и греющего элемента представлены ниже. Но, данные параметры могут быть ниже в случае использования устройств предназначенных для часто прерываемых рабочих циклов, или при работе нагревателя на уровне максимальной термической подачи, а также в условиях суровой окружающей среды.

Обозначения:

U = напряжение (вольт)

P = мощность (Вт)

S = Нагрузка на площадь поверхности (Вт / см²)

R t = сопротивление элемента при рабочей температуре (Ом)

R = сопротивление элемента при 20 ° C (Ом)

F = коэффициент термостойкости

L = Длина провода (м)

A = сопротивление на метр (Ом / м)

Выполнение проектного расчета:

1. На первом этапе рассчитывается длина, и диаметр проволоки, которые нужны для функционирования в условиях наивысшего показателя возможной температуры и сопротивление проволоки в условиях рабочей температуры:

R t = U² / P

2. Применив провод из такого же сплава, как и нагревательный элемент, далее находим коэффициент термического сопротивления при показателе рабочей температуры и таким способом определяем общей показатель сопротивления греющего материала:

R = R t / F

3. Определив размеры нагревательного устройства следующим делом можно провести оценку длины намотки провода. Сопротивление, которое должно быть на метр провода рассчитывается следующим образом:

А = R / L

4. Возьмите резистивную проволоку стандартного диаметра, сопротивление которой Ом / м ближе всего к рассчитанному значению А.

5. Для проверки фактической длины провода:

L = R / A

Изменения длины провода могут наблюдаться при добавлении или вычитании шага провода, когда необходимо достичь определенного показателя общего сопротивления.

6. Для проверки нагрузки на площадь поверхности:

S = P / (l ∙ d ∙ 31,416)

Нагрузка на площадь поверхности для различных типов нагревателей должна находиться в диапазоне, указанном в верхней табличке. Важно понимать, что чем выше показатели нагрузки, тем больше будет набирать температуры нагреватель.

Если рассчитанная вами нагрузка на площадь поверхности не соответствует рамкам диапазона, ее придется пересчитать. Для этого нужно изменить один из следующих параметров:

  • Длину и диаметр проволоки

  • Марку сплава нагревателя

  • Резистивный элемент

Нагреватели, из проволоки выполненные в виде катушки дают возможность поместить провод необходимой длины в небольшом пространстве. Катушечный элемент также обладает эффектом поглощения термического расширения. Формируя катушку, следует быть максимально осторожным, чтобы не надрезать и не истончить проволоку. Соблюдайте также меры, чтобы проволока сохранила свою чистоту. Максимальное и минимальное соотношение диаметра внутри катушки к диаметру проволоки составляет: 6: 1 и 3: 1. Длина катушки с намоткой закрытого типа определяется по следующему уравнению:

Обозначения:

d = Диаметр проволоки (мм)

D = внутренний диаметр рулона (мм)

L = Длина провода (м)

X = длина закрытой намотки катушки (мм)

Х = L ∙ d ∙ 1000 / π ∙ (D + d)

При растяжении катушки с намоткой закрытого типа показатель растяжения должен составлять 3:1. При более тесной намотке витки будут перегреваться.

Кроме нанесения случайных повреждений сроки эксплуатации нагревательного устройства могут значительно сократиться из-за локального перегорания. Обычно это случается по причине изменения поперечного сечения или из-за экранирования областей, в которых тепло не может рассеиваться свободно. Негативное влияние имеют и плохие точки опоры и некачественная заделка.

Проектирование ленточного нагревателя

Способ изготовления нагревателя на основе ленты подобен изготовлению устройства на основе проволоки круглого сечения. Здесь в первую очередь во внимание берутся такие показатели, как:

b = ширина ленты (мм)

t = толщина ленты (мм)

Конструкторский расчет ленты для нагревательного элемента:

1. Для расчета показателей длины и размера ленты, которые нужны для изготовления определенного вида электронагревателя функционирующего при максимальных температурных показателях, общие значения сопротивления в условиях рабочей температуры будут высчитаны по следующей формуле:

R t = V² / Вт

2. Применяя специальный провод необходимо определить коэффициент термического сопротивления при рабочих показателя температуры и таким образом можно вычислить общее сопротивление элемента при 20 ° C (R) будет:

R t = R t / F

3. Определив размеры нагревательного устройства, оценить длину намотки ленты будет не так уж сложно. Сопротивление, необходимое на метр ленты, будет:

А = R / L

4. Возьмите ленту нагревательного элемента стандартного размера b x t мм, у которой сопротивление на метр стандартного размера, близкое к А Ом / м.

5. Для проверки фактической длины ленты (L)

L = R / A

Длина ленты может меняться при изменении его шага, когда нужно достичь требуемое общее сопротивление.

6. Для проверки нагрузки на площадь поверхности (S):

S = P / 20 ∙ (b + t) ∙ L

В случае излишне высокой или крайне низкой расчетной нагрузки придется провести пересчет, изменив следующие значения:

Длина и размер ленты

При проведении расчетов ваших нагревателей технологи «ТЭН24»учитывают все возможные факторы влияния на работу нагревателя в целом. Наша компания является ведущим разработчиком и производителем нагревателей в Украине, мы предлагаем точные решения в области нагрева и готовы взяться за задачи нагрева, в решении которых вам никто не может помочь.





Возврат к списку


.

Задать вопрос

Логотип ТЭН 24
Для того, чтобы купить нагреватели или задать вопрос специалисту заполните форму или просто позвоните по телефонам