В общей практике нагрев электрическим сопротивлением применяется уже давно. По этой причине большинство новых проектов систем нагрева представляют собой модификации нагревателей, удовлетворительная работа которых была подтверждена эмпирическим путем.
Для грамотного проектирования нагревательной системы требуется объективный подход и необходимо учитывать множество практических факторов. Необходимо изучить все факторы, которые приведут к разработке нагревателя, который будет обеспечивать удовлетворительную производительность по разумной цене. Для выполнения этой задачи необходимо учитывать следующие моменты:
-
Применение: Не все нагревательные элементы одинаковы. Их следует разделить на две основные категории: промышленные печи и производственное оборудование. В печах, в том числе промышленных, стоимость нагревательного элемента не так критична, как в оборудовании массового производства, таких как экструдеры и термопластавтоматы. В бытовой технике незначительная ошибка, которая приведет к преждевременному сгоранию, имеет решающее значение, поскольку может привести к отзыву большого количества устройств. 1 % отказов может считаться приемлемым для некоторых компаний, но для покупателя, который получает неисправное устройство, этот показатель равен 100 %. Допустимый уровень отказа конечного продукта — это серьезное политическое решение, определяемое философией управления производителя.
Инженер-конструктор всегда работает над тем, чтобы вообще избежать каких-либо отказов. Планирование 20-летнего срока службы крупного отопительного прибора по существу подпадает под эту классификацию. При проектировании печей и промышленных печей отказы правильно спроектированного устройства почти всегда происходят из-за ошибок пользователя, обычно вызванных несоблюдением надлежащей практики эксплуатации. Элемент нагрева редко выходит из строя при нормальном использовании. Эти проблемы будут рассмотрены отдельно. -
Механические воздействия: Если нагреваемое устройство должно подвергаться серьезным механическим ударам, наиболее важным становится способ установки нагревательных элементов. Различные возможности более подробно описаны в разделе, посвященном типам доступных нагревателей.
-
Температура: Это главный фактор при выборе сплава и размера нагревательного материала. Сфера применения определяет необходимую температуру. Также необходимо различать температуру окружающей среды и температуру провода сопротивления. В печи они могут быть очень близки, но с другой стороны, скажем, в электрическом чайнике вода нагревается до 100°C (212°F), а сама проволока может нагреваться до 1000°C (1832°F). То же самое и в нагревателе.
-
Требуемое пространство: Место для установки нагревателя обычно ограничено. Это означает, что оптимальное расположение может оказаться непрактичным. Для равномерного поджаривания хлеба в тостере нагревательные элементы должны находиться на некотором расстоянии от поверхности, но при этом свободное пространство для устройства должно быть разумным.
-
Атмосфера: Это относится к газам или твердым веществам, которые могут контактировать с обогревателем. Защитная атмосфера в печи или разбрызгивание в жаровне обычно предсказуемы, но как насчет неожиданного коррозионного воздействия морского воздуха на наконечники элементов канального нагревателя? Ответ заключается в том, что устройства предназначены для широкого использования, но не предусматривают размещения вблизи берега.
-
Термическое циклирование: идеальное рабочее условие для нагревательного элемента — поддерживать постоянную температуру. Это вообще непрактично. Лабораторные испытания показали, что при более высокой рабочей температуре (800°C, 1472°F и выше) общий срок службы нагревателя с постоянным питанием будет больше, чем у нагревателя, работающего в циклическом режиме. Из-за отличного срока службы нагревателя без циклов большинство тестов рассчитаны на циклы с высокой скоростью.
Время цикла определяется продолжительностью, необходимой для циклического переключения блока между стабилизированной тестовой температурой нагрева и комнатной температурой. -
Внешний вид: это может показаться странным, но по большей части покупатели нагревателей и бытовой техники с нагревательными элементами ценят, чтобы провод или лента выглядели ярко. Это означает, что продаваемое устройство, как правило, нельзя тестировать при рабочей температуре, так как тогда оно приобретет окисленную поверхность. По этой причине необходимо найти коррелирующие факторы, которые могут дать уверенность в производительности непроверенного устройства.
-
Плотность мощности: одно из наиболее полезных, но наименее понятных понятий. Плотность мощности — это просто число, выражающее мощность в ваттах, рассеиваемые на единицу площади.
Для любой сферы применения, чем больше нагрузка, тем выше температура. Хорошей практикой при проектировании является выбор наибольшего значения, так как это означает наименьшее количество материала, в результате чего получается наиболее экономичная система, но при этом обеспечивающая приемлемый срок службы.
Это достигается за счет сочетания наименьшего поперечного сечения проводника и соответствующего удельного сопротивления. На рисунке показано относительное влияние диаметра проволоки на срок службы при постоянных условиях нагревательного элемента, работающего на воздухе.
Определение плотности мощности является сложным и часто неточным. Трудности могут быть связаны с большими различиями в тепловыделении любого конкретного устройства. Лучший способ — начать с известного значения в аналогичном случае. Диапазон плотностей мощности может варьироваться в 100 раз, но при этом давать одну и ту же температуру. В одном случае нагреватель работает в воде, а в другом он может быть хорошо изолирован. Вот почему отправной точкой должно быть использование нагревателя с плотностью мощности, основанной на существующем аналогичном использовании.
В случае спиралей и некоторых ленточных нагревателей происходит самонагрев между витками (из-за излучения от витка к витку). Как правило, при определении нагрузки, если коэффициент растяжения меньше трех, в расчетах следует использовать поверхность формы спирали, а не поверхность проволоки.
