Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ:  Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия ЭкологияТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву 
Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Задача 1. Электрический и конструктивный расчет нагревательнного элементаСодержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Задача 1. Электрический и конструктивный расчет нагревательнного элемента В электротермических установках косвенного резистивного нагрева преобразование электрической энергии в тепловую осуществляют в специальном проводнике – нагревательном элементе. Цель электрического расчета нагревательного элемента - определение его размеров (сечения и длины) с учетом заданной конструкции. Проводник нагревателя выполняется из жаростойких сплавов и может иметь круглое или прямоугольное сечение. Наибольшее распространение получили две конструкции нагревателя: спиральная и зигзагообразная (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Нагревательные элементы;
Одной из разновидностей спирального нагревателя является герметичный трубчатый нагреватель (ТЭН), показанный на рис 1.2.
Рис.1.2. Герметические нагревательные элементы:
Для получения исходных данных для расчета следует использовать табл.1.1 Табл. 1.1 Таблица исходных данных
Решение задачи рекомендуется выполнить тремя инженерными методами, использующими опыт проектирования и эксплуатации нагревательных установок. Методы отличаются применяемыми расчетными параметрами, трудоемкостью и погрешностью. Таблица 1.2. Геометрические характеристики и масса проволоки и ленты
Проволока | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,0 | 3,14 | 62,8 | 26,7 | 24,8 | 22,8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,2 | 3,80 | 69,0 | 31,2 | 29,3 | 27,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,5 | 4,90 | 78,5 | 41,2 | 38,8 | 35,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,8 | 6,10 | 87,7 | 51,8 | 48,7 | 45,7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3,2 | 8,00 | 100,5 | 67,7 | 63,6 | 59,7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3,6 | 10,00 | 113,0 | 85,5 | 80,3 | 73,8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4,0 | 12,5 | 125,6 | 105,5 | 99,1 | 91,1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4,5 | 15,8 | 141,3 | 133,5 | 125,6 | 115,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5,0 | 19,6 | 157,0 | 164,8 | 145,0 | 141,3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5,6 | 24,6 | 175,9 | 206,7 | 181,9 | 177,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6,3 | 31,1 | 197,9 | 261,6 | 246,0 | 225,7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7,0 | 38,4 | 219,8 | 322,9 | 303,6 | 278,7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 8,0 | 50,2 | 251,2 | 422,0 | 396,6 | 364,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9,0 | 63,3 | 282,6 | 532,0 | 500,3 | 459,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 10,0 | 78,5 | 314,0 | 659,4 | 620,1 | 569,1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Лента | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1,0х10 | 10,0 | 220 | 84 | 79 | 72,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,0 x 10 | 20,0 | 240 | 168 | 158 | 145 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1,5 х 15 | 22,5 | 330 | 189 | 178 | 163 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,0 х 15 | 30,0 | 340 | 252 | 237 | 217 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,2 х 20 | 44,0 | 444 | 370 | 347 | 319 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,5 х 20 | 50,0 | 450 | 420 | 395 | 363 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3,0 х 20 | 60,0 | 460 | 504 | 474 | 435 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,2 х 25 | 55,0 | 540 | 462 | 434 | 399 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,5 х 25 | 62,5 | 550 | 525 | 494 | 453 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3,0 х 25 | 75,0 | 560 | 630 | 593 | 545 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,2 х 30 | 66,0 | 644 | 554 | 521 | 478 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2,5 х 30 | 75,0 | 650 | 630 | 593 | 543 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 Упрощенный метод расчета параметров нагревателя по рабочему току и расчетной температуре.
По известной расчетной мощности нагревательного элемента определяют его рабочий ток
(1.13)
где I H, P H, U - ток, мощность и напряжение нагревателя.
Чтобы обеспечить процесс передачи тепловой энергии от нагревателя к нагреваемому материалу t раб принимают такой, чтобы она была больше конечной температуры нагрева материала. В данной задаче t раб приведена в исходных данных.
Для расчета упрощенным методом используют величину расчетной температуры t расч модельного нагревателя, эквивалентного по мощности заданному нагревателю с заданной температурой t раб. Такой подход позволяет применить справочные данные для модельного нагревателя, приведенные в табл. 1.3, для расчета заданного нагревателя.
Допустимые нагрузки для модельного нагревателя, приведенные в табл. 1.3, относятся к свободно подвешенному горизонтальному проводу в спокойном воздухе при температуре на поверхности нагревателя t расч.
Конструкция заданного нагревателя и нагреваемая среда могут отличаться от модельных, поэтому и условия передачи тепла будут различными. Провод нагревателя может иметь форму спирали или зигзага, может быть уложен равномерно на керамический каркас или защищен пластинами из жаропрочного электроизоляционного материала или металла, что ухудшает условия теплоотдачи по сравнению с модельными, следовательно, при одинаковой заданной мощности повышает температуру провода (
). С другой стороны циркуляция нагреваемой среды улучшает условия теплоотдачи, следовательно, при одинаковой заданной мощности понижает необходимую температуру провода по сравнению с модельной (
). Чтобы воспользоваться данными табл.1.3 необходимо определить температуру модельного нагревателя t расч, эквивалентного по мощности заданному нагревателю с заданной температурой t раб.
В общем случае
(1.14)
где: k M - коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение условий охлаждения нагревателя из-за его конструктивного исполнения; k c - коэффициент среды, учитывающий улучшение, фактических условий охлаждения нагревателя по сравнению с неподвижной воздушной средой.
Рекомендуются следующие значения k M:
0,8...0,9 – свободно подвешенная проволочная спираль,
0,6...0,7 – проволочная спираль на керамическом основании;
0,5...0,6 - для проволоки нагревательных плиток и некоторых трубчатых водонагревателей;
0,3...0,4 - для проволоки лабораторных печей, электронагревателей пола и почвы.
Меньшие значения k M соответствуют проволочным нагревателям меньшего диаметра, большие - большего диаметра.
Рекомендуются следующие значения k с:
k с =1 – для свободной конвекции
k с =1,1...1,5 - для нагревательных элементов в воздушном потоке;
k c=2,5 - в неподвижной воде;
k c=3,0...3,5 - в потоке воды.
Зная рабочий ток и расчетную температуру по табл. 1.3 определяют диаметр и сечение проволоки. Если в табл.1.3 подходящий вариант исполнения нагревателя отсутствует, можно разделить нагреватель на 2 параллельно включенных нагревателя, мощность каждого из которых равна половине заданной мощности.
Табл. 1.3. Допустимые нагрузки на нихромовую неизолированную проволоку, подвешенную горизонтально в спокойном воздухе при 20 ºС
| Диаметр проволоки, мм | Сечение, мм2 | Ток нагревателя, А, при расчётной температуре, С | ||||||||
| 200 | 400 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | ||||
| 0,1 | 0,00785 | 0,10 | 0,47 | 0,63 | 0,72 | 0,80 | 0,90 | 1,00 | ||
| 0,2 | 0,03140 | 0,65 | 1,03 | 1,40 | 1,65 | 1,82 | 2,00 | 2,30 | ||
| 0,3 | 0,08500 | 1,05 | 1,63 | 2,27 | 2,70 | 3,05 | 3,40 | 3,85 | ||
| 0,4 | 0,12600 | 1,50 | 2,34 | 3,30 | 3,85 | 4,40 | 5,00 | 5,70 | ||
| 0,5 | 0,19500 | 2,00 | 3,15 | 4,50 | 5,20 | 5,90 | 6,75 | 7,70 | ||
| 0,6 | 0,34200 | 2,52 | 4,00 | 5,70 | 6,50 | 7,50 | 8,50 | 9,70 | ||
| 0,7 | 0,38500 | 3,10 | 4,80 | 9,95 | 7,80 | 9,10 | 10,30 | 11,80 | ||
| 0,8 | 0,50300 | 3,70 | 5,70 | 8,15 | 9,15 | 10,80 | 12,30 | 14,00 | ||
| 0,9 | 0,63600 | 4,25 | 6,70 | 9,35 | 10,45 | 12,30 | 14,50 | 16,50 | ||
| 1,0 | 0,78500 | 4,85 | 7,70 | 10,80 | 12,10 | 14,30 | 16,80 | 19,20 | ||
| 1,1 | 0,95000 | 5,40 | 8,70 | 12,40 | 13,90 | 16,50 | 19,10 | 21,50 | ||
| 1,2 | 1,13000 | 6,00 | 9,80 | 14,00 | 15,80 | 18,70 | 21,60 | 24,30 | ||
| 1,3 | 1,33000 | 6,60 | 10,90 | 15,60 | 17,80 | 21,00 | 24,40 | 27,00 | ||
| 1,4 | 1,54000 | 7,25 | 12,00 | 17,40 | 20,00 | 23,30 | 27,00 | 30,00 | ||
| 1,5 | 1,77000 | 7,90 | 13,20 | 19,20 | 22,40 | 25,70 | 30,00 | 33,00 | ||
| 1,6 | 2,01000 | 8,60 | 14,40 | 21,00 | 24,50 | 28,00 | 32,90 | 36,00 | ||
| 1,8 | 2,54000 | 10,00 | 16,90 | 24,90 | 29,00 | 33,10 | 39,00 | 43,20 | ||
| 2,0 | 3,14000 | 11,70 | 19,60 | 28,70 | 33,80 | 39,50 | 47,00 | 51,00 | ||
| 2,5 | 4,91000 | 16,60 | 27,50 | 40,00 | 46,60 | 57,50 | 66,50 | 73,00 | ||
| 3,0 | 7,07000 | 22,30 | 37,50 | 54,50 | 64,00 | 77,00 | 88,00 | 102,00 | ||
| 4,0 | 12,6000 | 37,00 | 60,00 | 80,00 | 93,00 | 110,00 | 129,00 | 151,00 | ||
| 5,0 | 19,6000 | 52,00 | 83,00 | 105,00 | 124,00 | 146,00 | 173,00 | 206,00 | ||
Зная диаметр провода, можно определить длину провода по выражению
(1.15)
где d – диаметр проволоки нагревателя, м; ρ – удельное сопротивление материала нагревателя при действительной температуре, Ом·м.
Для ленточного нагревателя, определив расчетную площадь сечения ленты по табл. 1.3, подбирают из табл.1.2 ближайшую по сечению стандартную ленту. Длину ленты определяют по формуле (1.12).
1.3. Ориентировочный метод расчета нагревателя по допустимой плотности тока материала.
При расчете нагревателя данным методом используют величину плотности тока в нагревателе, приведенную в исходных данных.
Определив величину тока нагревателя по формуле (1.13), и используя заданное значение допустимой плотности тока j доп, рассчитаем сечение нагревателя
(1.16)
Для нихромовой проволоки j доп = 4...30 А/мм2. Большие значения плотности тока соответствуют большим диаметрам и более высоким температурам нагревателя).
По вычисленному сечению S определяют расчетный диаметр проволоки нагревателя,
(1.17)
По табл. 1.2 принимают ближайшее стандартное значение диаметра и площади сечения проволоки или сечение ленты и находят длину нагревателя.
(1.18)
1.4 Определение размеров нагревателя.
В рабочем пространстве электротермических устройств нагреватели изгибают зигзагообразно или придают им форму спирали.
Для спиральных нагревательных элементов из проволоки принимают шаг спирали h > (2...4)· d для того, чтобы соседние ее витки существенно не экранировали друг друга.
Диаметр спирали выбирают из условий обеспечения механической прочности:
- для никельсодержащих сплавов, обладающих повышенной жаропрочностью, D сп =(7…10)· d,
- для хромалюминиевых сплавов D сп =(5…7)· d.
Конструктивная длина спирального нагревательного элемента
(1.19)
где h - шаг спирали; l - длина проволоки в нагревательном элементе; D сп - диаметр спирали.
Для проволочных зигзагообразных нагревателей диаметром d = 6...15 мм высоту А зигзага принимают от 200 до 400 мм по условию механической прочности. Шаг волны выбирают 
, для того, чтобы бездефектно изогнуть проволоку.
У ленточных зигзагообразных нагревательных элементов высоту зигзага принимают А ≤ 100 мм, а шаг волны l ш ≥ 2 b. Конструктивная длина проволочного и ленточного зигзагообразных нагревательных элементов
(1.20)
1.5. Порядок выполнения задания
1.5.1. Получить исходные данные из табл. 1.1.
1.5.2. Определить размеры нагревателя методом с использованием удельной поверхностной мощности:
- для проволочного нагревателя круглого сечения определить диаметр проволоки по формуле (1.8), выбрать ближайший стандартный диаметр по табл. 1.2 и для выбранного диаметра определить длину проволоки по формуле (1.9).
- для ленточного нагревателя предварительно задать значение m =10, определить толщину ленты по формуле (1.11), определить сечение ленты 
, выбрать стандартную ленту с ближайшим сечением из табл. 1.2 и для выбранной ленты определить ее длину по формуле (1.12).
1.5.3. Определить размеры нагревателя методом с использованием рабочего тока и расчетной температуры:
- определить рабочий ток нагревателя по формуле (1.13);
- определить расчетную температуру по формуле (1.14), используя коэффициенты монтажа и нагреваемой среды в соответствии с исходными данными по конструкции нагревателя и условиям работы;
- по рабочему току и расчетной температуре выбрать в табл. 1.3 подходящее сечение нагревателя;
- по табл. 1.2 выбрать ближайшие стандартные диаметр проволоки или размеры ленты;
- для выбранных проволоки или ленты определить их длину соответственно по формулам (1.9) или (1.12).
1.5.4. Определить размеры нагревателя методом с использованием допустимой плотности тока материала нагревателя:
- зная рабочий ток нагревателя, определить его сечение по формуле (1.16);
- по известному сечению выбрать размеры ближайшей стандартной проволоки или ленты из табл. 1.2;
- для выбранных проволоки или ленты определить их длину по формуле (1.18).
1.5.5. В соответствии с заданной конструкцией нагревателя, используя рекомендации по размерам для спирали или зигзага (п.1.4), определить длину спирали или зигзага в свернутом виде соответственно по формулам (1.19) или (1.20).
Исходные данные для расчета
Для нагревателей непрерывного действия исходными данными являются производительность L, м3/c, устройства, начальная t 1 и конечная t 2 температуры, °С, нагрева.
Для нагревателей периодического действия исходными данными являются: объем V, м3, нагреваемого материала, время нагрева τ, с, начальная t 1 и конечная t 2 температуры, °С, нагрева.
В качестве нагреваемого материала принимаем воду, физические свойства которой приведены ниже.
Удельная теплоемкость С = 4,18·103, Дж/(кг∙°С); плотность δ = 1000, кг/м3; удельное электрическое сопротивление ρ = (0,02….1), Ом∙м.
Таблица 3.1. Исходные данные для задачи 3
| Цифра шифра | первая | вторая | третья | |||||
| Объем емкости, м3 | Время нагрева, τ, 104·с | Производи-тельность, 10-5·м3/с | Конечная температура t2, оС | Напряже-ние, В | Удельное сопротивление ρ 20, Ом·м | Конструкция электродов | Условия работы | |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 40 | 127 | 0,1 | плоскопарал-лельная | проточная |
| 1 | 1 | 1 | 2 | 60 | 127 | 0,2 | плоскопарал-лельная | непроточная |
| 2 | 2 | 2 | 3 | 80 | 220 | 0,3 | коаксиальная | проточная |
| 3 | 2 | 2 | 4 | 40 | 220 | 0,4 | коаксиальная | непроточная |
| 4 | 3 | 3 | 5 | 60 | 220 | 0,5 | плоскопарал-лельная | проточная |
| 5 | 3 | 3 | 6 | 80 | 220 | 0,6 | плоскопарал-лельная | непроточная |
| 6 | 4 | 4 | 7 | 40 | 380 | 0,7 | коаксиальная | проточная |
| 7 | 4 | 4 | 8 | 60 | 380 | 0,8 | коаксиальная | непроточная |
| 8 | 5 | 5 | 9 | 80 | 380 | 0,9 | плоскопарал-лельная | проточная |
| 9 | 5 | 5 | 10 | 40 | 380 | 1,0 | плоскопарал-лельная | непроточная |
Расчет потребной мощности
Потребная мощность нагревателей, обеспечивающая заданную производительность установки
(3.1)
где 
- полезная мощность расходуемая на нагрев воды, 
- тепловой КПД установки, определяющий потери тепла в окружающее пространство. По аналогии с электродными котлами компании «КПД» (Новосибирск) можно принять η т=0,98.
В нагревателях непрерывного действия полезная мощность нагревателя постоянна и расходуется на нагрев объема воды, протекающего за единицу времени L, на заданную разность температур
Вт (3.2)
Следовательно, нагреватели непрерывного действия работают с постоянной мощностью Р потр.
В нагревателях периодического действия в процессе нагрева температура воды повышается, удельное сопротивление воды (проводник второго рода) уменьшается, следовательно, полезная мощность возрастает от P 1 при начальной температуре t 1 до P 2 при конечной температуре t 2.
Удельное сопротивление воды 
в зависимости от температуры 
, оС
(3.3)
Поскольку мощность обратно пропорциональна удельному сопротивлению, то с учетом (3.2)
(3.4)
Средняя потребляемая мощность в процессе нагрева может быть выражена
через P 1 и P 2
(3.5)
Из выражений (3.4) и (3.5) можно определить максимальную потребляемую мощность P 2
(3.6)
Здесь среднюю потребляемую мощность 
определяют как общий расход энергии на нагрев заданного объема воды V в течение заданного времени τ с учетом теплового КПД
(3.7)
Расчетная мощность установки периодического действия определяется наиболее нагруженным режимом, в качестве которого необходимо использовать мощность Pпотр = P 2.
Расчет размеров электродов
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
(3.17)
По вычисленному значению S с учетом конструктивных ограничений определяют высоту h, см, и ширину b, см, электродов так, чтобы hb=S.
Межэлектродное расстояние, см,
(3.18)
где ρ 2 - удельное электрическое сопротивление материала при температуре t 2. Ом∙см.
На заключительном этапе расчета по формуле (3.14) определяют действительную напряженность электрического поля и сравнивают ее с допустимой. При этом должно выполняться условие (3.16).
Для цилиндрических коаксиальных электродов принимают действительную плотность тока на внутреннем электроде j<jдоп, А/см2, по выражению (3.17) находят площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высота электродов) или d 2 (диаметр внутреннего электрода), рассчитывают другой параметр так, чтобы S=πd 2 h.
Затем находят диаметр внешнего электрода по формуле
(3.19)
Межэлектродное расстояние
(3.20)
Действительную напряженность электрического поля определяют по формуле (3.15) на поверхности внутреннего электрода и проверяют по условию (3.16).
При расчете нагревателей непрерывного действия конструктивные параметры рассчитывают аналогично, но в качестве расчетного удельного сопротивления используют значение ρ ср, соответствующее средней температуре 
в процессе нагрева
(3.21)
(3.22)
3.8. Порядок выполнения задания
3.8.1. Выполнить расчет потребной мощности установки:
- для непрерывного действия по формулам (3.1) и (3.2);
- для периодического действия Pпотр = P 2 по формулам (3.6) и (3.7).
3.8.2. Выбрать расчетную мощность установки. Для однофазной установки 
.
3.8.3. Определить расчетный ток по формуле (3.10).
3.8.4. Выбрать максимальную плотность тока j<jдоп, А/см2 в соответствии с п.3.5.
3.8.5. Определить необходимую площадь электродов по формуле (3.17).
3.8.6. Определить расчетное удельное сопротивление воды.
Для установки периодического действия определить удельное сопротивление воды при максимальной температуре по формуле (3.3).
Для установки непрерывного действия определить среднее значение ρ ср, соответствующее средней температуре в процессе нагрева по формулам (3.21) и (3.22).
3.8.7. Определить размеры системы электродов.
Для плоских электродов задать высоту h, см, и ширину b, см, так, чтобы hb=S и определить расстояние между электродами l по формуле (3.18).
Для цилиндрических электродов задать один из параметров h (высота электродов) или d 2 (диаметр внутреннего электрода), рассчитать другой параметр так, чтобы S=πd 2 h. Далее по формулам (3.19) и (3.20) определить диаметр внешнего электрода и межэлектродное расстояние.
3.8.8. Определить действительную напряженность электрического поля по формулам (3.14) или (3.15).
3.8.9. Проверить выполнение условия (3.16) по допустимой величине напряженности электрического поля.
Выбор вентилятора
Зная необходимую величину воздухообмена L, м3/с, определяют часовую производительность вентилятора
Q = 3600· L, м3/ч (4.9)
По производительности вентилятора из табл.4.3 выбирают подходящий вентилятор и приводят его характеристики в отчете. Производительность вентилятора зависит от многих факторов и изменяется внутри заданного диапазона. Не имея возможности учесть все факторы, приближенно считаем, что производительность выбранного вентилятора соответствует заданному воздухообмену L.
Табл.4.3 Технические характеристики вентиляторов
| Вентилятор | Электродвигатель | Параметры | Масса, не более кг | ||
| Тип | Мощность / частота вращения, кВт/мин-1 | Производительность, х103 м3/ч | Полное давление, Па | ||
ВР-80-75-2,5
ВР-80-75-3.15
ВР-80-75-4
ВР-80-75-5
ВР-80-75-6,3
ВР-80-75-10
4.6. Порядок выполнения задания
4.6.1. Определить исходные данные для расчета из табл. 4.1.
4.6.2. Определить тепловую мощность 
по формуле (4.1).
4.6.3. Определить расчетную мощность 
по формуле (4.2).
4.6.4. Определить мощность нагревателя, приходящуюся на 1 фазу 
.
4.6.5. Выбрать мощность и количество ТЭН по таблице 4.2 с учетом кратности трем фазам, определить уточненную общую мощность с учетом выбранного количества и мощности ТЭН 
по формуле (4.5).
4.6.6. Определить скорость потока воздуха 
по формуле (4.8).
4.6.7. Определить коэффициент теплоотдачи конвекцией 
по рис.4.2 с учетом диаметра выбранных ТЭН.
4.6.8. Определить температуру поверхности наиболее нагретого ТЭН по формуле (4.7).
4.6.9. Определить необходимую величину воздухообмена Q по формуле (4.9).
4.6.10. Выбрать подходящий вентилятор из табл. 4.3.
Исходные данные
Произвести расчет параметров генератора ТВЧ, найти размеры камеры для высокочастотной сушки зерна (рис. 5.2).
Рис.5.2 - Схема установки диэлектрического нагрева
Исходные данные для расчета включают производительность установки, начальную и конечную влажность зерна, допустимую напряженность электрического высокочастотного поля и приведены в табл. 5.1.
Табл.5.1 Исходные данные для расчета
| Цифра шифра | первая | вторая | третья | |
Производитель-ность  , кг/ч
| Влажность материала на входе  , %
| Влажность материала на выходе  , %
| Допустимая напряженность электрического поля  , кВ/см
| |
| 0 | 100 | 18 | 10 | 0,1 |
| 1 | 150 | 20 | 11 | 0,15 |
| 2 | 200 | 22 | 12 | 0,2 |
| 3 | 250 | 24 | 13 | 0,25 |
| 4 | 300 | 26 | 14 | 0,30 |
| 5 | 350 | 38 | 15 | 0,35 |
| 6 | 400 | 30 | 16 | 0,4 |
| 7 | 450 | 18 | 12 | 0,45 |
| 8 | 500 | 20 | 10 | 0,50 |
| 9 | 550 | 22 | 14 | 0,55 |
Кроме того, для расчета используют следующие справочные данные для сушки зерна:
- температура материала перед сушкой, t1 = 20°С;
- диэлектрическая проницаемость материала ε = 6,5;
- тангенс угла потерь tgδ = 0,2
- объемная плотность зерновой массы D = 750…850 кг/м3;
- удельная теплота испарения влаги при начальной температуре зерна 20оС q =2510 кДж/кг.
Задача 1. Электрический и конструктивный расчет нагревательнного элемента
В электротермических установках косвенного резистивного нагрева преобразование электрической энергии в тепловую осуществляют в специальном проводнике – нагревательном элементе.
Цель электрического расчета нагревательного элемента - определение его размеров (сечения и длины) с учетом заданной конструкции. Проводник нагревателя выполняется из жаростойких сплавов и может иметь круглое или прямоугольное сечение. Наибольшее распространение получили две конструкции нагревателя: спиральная и зигзагообразная (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Нагревательные элементы;
а и б - открытые соответственно в виде спирали и зигзагообразные; в - закрытые; 1 - нагреватель; 2 - защитный кожух.
Одной из разновидностей спирального нагревателя является герметичный трубчатый нагреватель (ТЭН), показанный на рис 1.2.
Рис.1.2. Герметические нагревательные элементы:
а - разрез ТЭН; б - разновидности ТЭН; в - ТЭН с оребрением; 1- оболочка (трубка); 2 - нагревательная спираль; 3 - контактный стержень; 4 - наполнитель (периклаз); 5 - изолятор; 6 - оребрение.
Для получения исходных данных для расчета следует использовать табл.1.1
Табл. 1.1 Таблица исходных данных
| Цифра шифра | Первая | Вторая | Третья | ||||
| Мощность нагревателя, кВт | Напряже-ние, В | Удельная мощность Руд, 104 *Вт/м2 | Рабочая температура нагревателя, оС | Плотность тока нагревателя J доп, А/мм2 | Конструкция нагревателя | Условия работы нагревателя | |
| 0 | 2 | 63 | 1 | 300 | 2 | Спираль | Свободная конвекция |
| 1 | 5 | 63 | 2 | 400 | 3 | Спираль на керамическом основании | Поток воздуха |
| 2 | 10 | 127 | 3 | 500 | 4 | Защищенная спираль (ТЭН) | Неподвижная вода |
| 3 | 15 | 127 | 4 | 600 | 5 | Проволочный зигзаг для лабораторной печи | Свободная конвекция |
| 4 | 20 | 127 | 5 | 700 | 6 | Спираль | Свободная конвекция |
| 5 | 25 | 220 | 6 | 800 | 7 | Спираль на керамическом основании | Поток воздуха |
| 6 | 30 | 220 | 7 | 900 | 8 | Защищенная спираль (ТЭН) | Поток воды |
| 7 | 35 | 220 | 8 | 1000 | 9 | Ленточный зигзаг для лабораторной печи | Свободная конвекция |
| 8 | 40 | 380 | 9 | 1100 | 10 | Спираль | Поток воздуха |
| 9 | 45 | 380 | 10 | 1200 | 11 | Ленточный зигзаг | Поток воздуха |
Решение задачи рекомендуется выполнить тремя инженерными методами, использующими опыт проектирования и эксплуатации нагревательных установок. Методы отличаются применяемыми расчетными параметрами, трудоемкостью и погрешностью.
|
| Поделиться: |
