Расчет электродного нагревательного устройства

Принцип действия электродного нагревателя заключается в протекании электрического тока через нагреваемую жидкость и преобразовании электрической энергии в тепловую на активном сопротивлении жидкости. Подведение тока от источника питания осуществляется с помощью системы электродов. Конструкция простейшего однофазного электродного нагревателя приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Однофазный электродный водонагреватель

При расчете электродного нагревательного устройства определяют потребную мощность и конструктивные параметры электродной системы.

Конструкции электродных нагревательных устройств

В нагревателях небольшой мощности используют пару плоских электродов, в мощных – трёхфазные системы, состоящие из нескольких электродов.

Наиболее распространены электродные системы:

- из электродов изогнутых под углом 120⁰;

- из коаксиальных (цилиндрических) электродов;

- из плоских электродов, но для обеспечения симметричной нагрузки питающей сети принимают число электродов равное 3n+1, где n – целое число.

Рисунок 3.2 - Конструкция основных типов электродных нагревателей:

а – электроды, изогнутые под углом 120º; б - коаксиальные цилиндрические электроды; в - плоские электроды

 

Схема замещения зависит от конструкции систем и способности материала ёмкости (бака) проводить электрический ток. Если ёмкости изготовлены из электроизоляционного материала, то схемы замещения соединения электродных систем представляют собой «треугольник», или «звезду». В том случае если используются электропроводящие емкости, то все схемы замещения – «звёзда».

Для расчета электродного нагревателя в данной задаче используем однофазную конструкцию с двумя плоскопараллельными или коаксиальными электродами в емкости из электроизоляционного материала.

Потребную мощность находят с учетом технологических условий, которые характеризуют тот или иной производственный процесс. Нагреватель может работать в режиме периодического действия нагревая неподвижную жидкость, или в непрерывном режиме в потоке жидкости.

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, м^3	Время нагрева, τ, 10^4·с	Производи-тельность, 10^-5·м^3/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 P_потр = P ₂.