加熱元件的計算

為了確定加熱元件線材的主要參數之一——直徑 d、m (mm)，使用兩種計算方法：根據允許的比表面功率 PF 和使用電流負載表。

允許的比表面功 PF= P⁄F,

式中 P 為電熱絲的功率，W；

F = π ∙ d ∙ l——加熱器面積，m2； l——導線長度，m。

按照第一種方法

式中ρd——線材在實際溫度下的電阻，Ohm•m； U為電熱絲電壓，V； PF——不同加熱器的比表面功率允許值：

第二種方法使用根據實驗數據編制的電流負載表（見表 1）。要使用所示表格，必須通過以下比率確定與導體實際（或允許）溫度 Td 相關的計算加熱溫度 Tp：

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td,

其中 Km 是安裝係數，考慮到由於其結構而導致的加熱器冷卻條件的惡化； Kc 是環境因素，考慮到與靜止空氣環境相比加熱器冷卻條件的改善。

對於由螺旋形絞合線製成的加熱元件，Km = 0.8 … 0.9；同樣，陶瓷底座 Km = 0.6 ... 0.7；對於加熱板和一些加熱元件的導線 Km = 0.5 ... 0.6;對於來自電氣地板、土壤和加熱元件的導體，Km = 0.3 ... 0.4。 Km值越小對應的加熱器直徑越小，值越大對應的加熱器直徑越大。

當在非自由對流條件下運行時，Kc = 1.3 … 2.0 用於氣流中的加熱元件；對於靜水中的元素，Kc = 2.5；在水流中 — Kc = 3.0 … 3.5。

如果設置未來（設計）加熱器的電壓 Uph 和功率 Pf，則其電流（每相）

Iph = Pph⁄Uph

根據表1計算出的發熱體所需計算溫度的發熱體電流計算值，求出製造發熱體所需的鎳鉻絲線徑d和線材長度m計算：

式中d為所選線徑，m； ρd為導體在實際加熱溫度下的比電阻，Ohm•m，

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

其中 αр — 電阻溫度係數, 1/操作系統。

要確定鎳鉻螺旋線的參數，請取匝數的平均直徑 D = (6 … 10) ∙ d，螺旋線的螺距 h = (2 … 4) ∙ d，

轉彎數量

螺旋長度 lsp = h ∙ n。

在計算加熱元件時，應記住螺旋線在加熱元件後的電阻

其中 k (y.s) 是考慮到螺旋阻力減小的係數；根據實驗數據，k(s)=1.25。還應考慮到，螺旋線的比表面功率比管狀加熱元件的比表面功率大 3.5 ... 5 倍。

在加熱元件的實際計算中，首先確定其表面溫度Tp = To + P ∙ Rt1，

其中 為環境溫度，°C； P為加熱元件的功率，W； RT1——管道熱阻——介質界面，ОC/W。

然後確定繞組的溫度：Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3)，

式中Rt2為管壁熱阻，ОC/W； RT3——填料的熱阻，ОC/W； Rp1 = 1⁄ (α ∙ F)，其中α為傳熱係數，W / (m ^ 2 • ОС)； F——加熱器面積，m2； Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F)，其中δ為壁厚，m； λ——牆體的導熱係數，W/(m•ОС)。

有關加熱元件設備的更多信息，請參見此處： 加熱元件。加熱元件的裝置、選擇、操作、連接

表 1. 電流負載表

例1、根據許用比表面功率PF計算螺旋線形式的電加熱器。

健康）狀況。加熱器功率P=3.5kW；電源電壓 U = 220 V；電線材料 — 鎳鉻合金 Х20Н80（一種 20% 鉻和 80% 鎳的合金），因此電線的電阻率 ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m；電阻溫度係數 αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС；螺旋是開放的，呈金屬形式，螺旋的工作溫度為 Tsp = 400 ОC，PF = 12 ∙ 10 ^ 4 W / m2。確定 d、lp、D、h、n、lp。

回答。線圈電阻：R = U^2⁄P = 220^2⁄3500 = 13.8歐姆。

Tsp = 400 OS 時的比電阻

ρ400 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (400-20)] = 1.11 ∙ 10 ^ (- 6) 歐姆•米。

求電線的直徑：

從表達式 R = (ρ ∙ l) ⁄S 我們得到 l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ)，由此得出導線的長度

螺旋圈的平均直徑為 D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0.001 = 0.01 m = 10 mm。螺距 h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm。

螺旋圈數

螺旋的長度為 lsp = h ∙ n = 0.003 ∙ 311 = 0.933 m = 93.3 cm。

示例 2. 使用電流負載表（參見表 1）確定線徑 d 時，從結構上計算線電阻加熱器。

健康）狀況。加熱絲功率P=3146W；電源電壓 U = 220 V；線材 — 鎳鉻合金 Х20Н80 ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ ( — 6) Ohm • m; αp = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ℃;位於氣流中的開放螺旋線（Km = 0.85，Kc = 2.0）；導體的允許工作溫度 Td = 470 ОС。

確定導線的直徑 d 和長度 lp。

回答。

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td = 0.85 ∙ 2 ∙ 470 OS = 800 OS。

設計加熱器電流 I = P⁄U = 3146⁄220 = 14.3 A。

根據 Tр = 800 ОС 和 I = 14.3 A 時的電流負載表（見表 1），我們發現導線的直徑和橫截面 d = 1.0 mm 和 S = 0.785 mm2。

導線長度 lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

其中 R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3146 = 15.3 歐姆，ρ800 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (800-20) ] = 1.11 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m, lp = 15.3 ∙ 0.785 ∙ 10 ^ (- 6) ⁄ (1.11 ∙ 10 ^ (- 6)) = 10.9 m。

此外，如有必要，與第一個示例類似，可以定義 D、h、n、lsp。

例3.確定管式電加熱器的允許電壓（十）。

條件... 加熱元件的線圈由鎳鉻合金線製成，直徑 d = 0.28 mm，長度 l = 4.7 m。加熱元件處於溫度為 20 °C 的靜止空氣中。鎳鉻合金的特性： ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) Ohm • m； αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / °C。加熱元件外殼活動部分的長度為 La = 40 cm。

加熱元件光滑，外徑 DOB = 16 毫米。傳熱係數α=40W/(m^2∙°C)。熱阻：填料 RT3 = 0.3 ОС / W，外殼壁 Rт2 = 0.002 ОС / W。

確定可以施加到加熱元件上的最大電壓是多少，使其線圈溫度 Tsp 不超過 1000 ℃。

回答。加熱元件的加熱元件溫度

Tsp = To + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

其中 是環境空氣溫度； P為加熱元件的功率，W； RT1——管道-介質界面的接觸熱阻。

加熱元件的功率 P = U ^ 2⁄R，

其中 R 是加熱線圈的電阻。因此，我們可以寫成 Tsp-To = U ^ 2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3)，由此加熱元件上的電壓

U = √ ((R ∙ (Tsp-To)) / (Rt1 + Rt2 + Rt3))。

求出 R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d ^ 2)，

其中 ρ1000 = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (T-20)] = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1000-20)] = 1.12 ∙ 10 ^ ( — 6) 歐姆 • 米。

那麼 R = 1.12 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (4 ∙ 4.7) ⁄ (3.14 ∙ (0.28 ∙ 10 ^ (- 3)) ^ 2) = 85.5 歐姆。

接觸熱阻 RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

其中F為發熱體外殼活性部分的面積； F = π ∙ dob ∙ La = 3.14 ∙ 0.016 ∙ 0.4 = 0.02 m2。

求出 Rt1 = 1⁄ (40 ∙ 0.02 = 1.25) OC / W。

確定加熱元件的電壓 U = √ ((85.5 ∙ (1000-20)) / (1.25 + 0.002 + 0.3)) = 232.4 V。

如果加熱元件上標明的標稱電壓為 220 V，則 Tsp = 1000 OS 時的過電壓將為 5.6% ∙ Un。