Проектирование нагревательных элементов

Нагреватели являются достаточно простыми устройствами, в конструкции которых легко разобраться, однако есть множество параметров, которые следует учитывать при их изготовлении.

Основными характеристиками, которые оказывают влияние на функционирование любого нагревателя, являются габаритные размеры ТЭНа, тип материалов, из которых он изготавливается, значения напряжения питания, силы тока, температуры работы и прочие. Также некоторые факторы характерны только для определенных типов нагревателей. К примеру, если греющая спираль в ТЭНе производится из резистивной проволоки с круглым поперечным сечением, нужно учесть длину проволоки, ее сечение, растяжение и прочее, а если нагреватель использует сплющенную проволоку в виде ленты, то характеристиками для расчетов будут ширина и толщина ленты, вес и площадь поверхности.

Это только то, что касается греющей спирали, а нужно учитывать также то, как она будет размещаться в более крупном нагревательном оборудовании, как будут меняться характеристики при работе прибора с различными условиями. К примеру, какая изоляция будет использоваться для поддержки спирали, какие размеры изоляторов должны быть, повлияет ли размер изоляции на возможность установки нагревателя в оборудование? Также очень важно тщательно проработать все условия, которые меняются при нагреве спирали. Например, такое частое явление, как провисание греющего элемента. Нужно сразу учитывать, чем это можно предотвратить – нужно применять специальные изоляторы, увеличить их количество или же использовать большие размеры.

Если нагреватель состоит из нескольких греющих спиралей, которые могут включаться отдельно, стоит учесть их параметры при каждом варианте включения. Или же если перегорит одна из спиралей, что будет с остальными? Как увеличится нагрузка на них? 

Конструкция нагревательного элемента

Следующие расчеты дают руководство по выбору резистивного электрического нагревательного элемента для вашего оборудования.

Расчет конструкции нагревательного элемента

Вот введение в электрическое сопротивление ленточных и проволочных нагревательных элементов, расчет сопротивления элементов и таблица температурного сопротивления.

Для работы в качестве нагревательного элемента лента или проволока должны противостоять току электричества. Это сопротивление преобразует электрическую энергию в тепло, которое связано с удельным электрическим сопротивлением металла и определяется как сопротивление единицы длины единицы площади поперечного сечения. Линейное сопротивление отрезка ленты или провода можно рассчитать по его удельному электрическому сопротивлению.

Обозначения:

• ρ = удельное электрическое сопротивление (мкОм · см)
• R = сопротивление элемента 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 ленты или провода (мм²)

Для круглой проволоки

а = π x d² / 4

Для ленты

a = t ∙ (b - t) + (0,786 x t²)

R = (ρ ∙ l / a) ∙ 0,01

В качестве нагревательного элемента лента имеет большую площадь поверхности и, следовательно, более эффективное тепловое излучение в предпочтительном направлении, что делает ее идеальной для многих промышленных нагревателей, таких как плоские миканитовые нагреватели.

Важной характеристикой этих сплавов с электрическим сопротивлением является их устойчивость к нагреванию и коррозии, которая обусловлена ​​образованием поверхностных слоев оксида, которые замедляют дальнейшую реакцию с кислородом воздуха. При выборе рабочей температуры сплава необходимо учитывать материал и атмосферу, с которой он контактирует. Поскольку существует так много типов оборудования, переменных в конструкции элемента и различных условий эксплуатации, следующие уравнения для конструкции элемента приведены только в качестве руководства.

Электрическое сопротивление при рабочей температуре

За очень немногими исключениями сопротивление металла будет изменяться в зависимости от температуры, что необходимо учитывать при проектировании нагревателя. Поскольку сопротивление элемента рассчитывается при рабочей температуре, необходимо для начала определить сопротивление элемента при комнатной температуре. Чтобы получить сопротивление элементов при комнатной температуре, разделите сопротивление при рабочей температуре на коэффициент температурного сопротивления, указанный ниже:

Тут :

• F = коэффициент термостойкости
• R _t = сопротивление элемента при рабочей температуре (Ом)
• R = сопротивление элемента при 20 ° C (Ом)

R = R _t / F

Нагрузка на площадь поверхности

Можно разработать нагревательный элемент различных размеров, каждый из которых теоретически даст желаемую мощность нагрузки или плотность мощности, рассеиваемой на единицу площади. Однако важно, чтобы нагрузка на поверхность нагревательного элемента не была слишком высокой, поскольку передача тепла посредством теплопроводности, конвекции или излучения от элемента может быть недостаточно быстрой, чтобы предотвратить его перегрев и преждевременный выход из строя.

Предлагаемый диапазон поверхностной нагрузки для данного типа прибора и нагревательного элемента показан ниже, но он может быть ниже для нагревательного элемента, работающего с более частыми рабочими циклами, или при почти максимальной рабочей температуре, или в суровых атмосферных условиях.

 

Проектирование элемента из круглой проволоки

Тут:

• 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)

Вот как делаются проектные расчеты:

1. Рассчитайте диаметр и длину проволоки, необходимую для работы при максимальной температуре в °C, полное сопротивление элемента при рабочей температуре (R _t ) будет:

R _t = U² / P

2. Используя специальный провод из сплава нагревательного элемента, найдите коэффициент температурного сопротивления при рабочей температуре в ° C как F, таким образом, общее сопротивление элемента при 20 ° C (R) будет:

R = R _t / F

3. Зная размеры типа нагревательного элемента, можно оценить длину наматываемого на него провода. Таким образом, сопротивление, необходимое на метр провода, будет:

А = R / L

4. Найдите провод нагревательного элемента стандартного диаметра, сопротивление которого на метр ближе всего к A.

5. Чтобы проверить фактическую длину провода (L):

L = R / A

Изменение длины провода нагревательного элемента может означать добавление или вычитание шага провода для достижения требуемого общего сопротивления.

6. Чтобы проверить нагрузку на площадь поверхности (S):

S = P / (l ∙ d ∙ 31,416)

Нагрузка на площадь поверхности должна находиться в пределах диапазона, указанного в таблице выше для типа нагревательного элемента, при этом следует отметить, что чем выше значение, тем более горячий элемент. Нагрузка на площадь поверхности может быть выше или ниже, если считается, что теплопередача лучше или хуже, или в зависимости от важности срока службы нагревательных элементов.

Если расчетная нагрузка на площадь поверхности слишком высока или низка, вам следует ее пересчитать, изменив один или несколько параметров из следующего:

• Длина и диаметр проволоки
• Марка сплава нагревательного элемента

Спиральные нагревательные элементы

Проволочные нагревательные элементы, сформированные в виде катушки, позволяют разместить провод подходящей длины в относительно коротком пространстве, а также поглощают эффекты теплового расширения. При формировании катушки необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить проволоку за счет надрезов или истирания. Также важна чистота нагревательного элемента. Максимальные и минимальные рекомендуемые отношения диаметра внутренней катушки к диаметру проволоки составляют 6: 1 и 3: 1. Длину катушки с закрытой намоткой можно найти, используя уравнение ниже.

Тут:

• 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)

Когда эта катушка с закрытой намоткой растягивается, растяжение должно составлять примерно 3: 1, так как более тесная намотка приведет к более горячим виткам.

Помимо случайного повреждения, срок службы нагревательного элемента может быть сокращен из-за локальных перегораний (горячих точек). Это может быть вызвано изменением поперечного сечения провода (например, зазубринами, растяжением, перегибами) или экранированием области, где нагревательный элемент не может свободно рассеивать тепло, или плохими точками опоры или заделками.

Проектирование ленточного нагревателя

Метод создания ленточного нагревательного элемента аналогичен тому, который использовался при разработке нагревательного элемента из круглой проволоки.

Тут:

• b = ширина ленты (мм)
• t = толщина ленты (мм)

Вот как делаются конструкторские расчеты ленточного нагревательного элемента :

1. Чтобы рассчитать размер и длину ленты, необходимые для конкретного нагревательного элемента в нагревателе, работающего при максимальной температуре C ° C, общее сопротивление элемента при рабочей температуре (Rt) будет:

R _t = V² / Вт

2. Используя специальный провод из сплава нагревательного элемента , найдите коэффициент температурного сопротивления при рабочей температуре C ° C как F, таким образом, общее сопротивление элемента при 20 ° C (R) будет:

R _t = R _t / F

3. Зная размеры нагревателя, можно оценить длину ленты, которая может быть намотана на него. Таким образом, сопротивление, необходимое на метр ленты, будет:

А = R / L

4. Найдите ленту нагревательного элемента стандартного размера b x t мм, имеющую стандартное сопротивление на метр стандартного размера, близкое к А Ом / м.

5. Чтобы проверить фактическую длину ленты (L)

L = R / A

Изменение длины ленты может означать изменение шага ленты для достижения требуемого общего сопротивления.

6. Чтобы проверить нагрузку на площадь поверхности (S):

S = P / 20 ∙ (b + t) ∙ L

Если расчетная нагрузка на площадь поверхности слишком высока или низка, как указано в таблице выше, вам следует пересчитать, изменив одно или несколько из следующих значений:

Длина и размер ленты

 

Специалисты нашей компании Полимернагрев при проектировании нагревательных элементов учитывают все возможные факторы, которые могут повлиять на него в процессе эксплуатации. Мы используем только самые качественные материалы и современные технологии производства, чтобы наши нагревательные элементы имели высокий уровень надежности и длительный срок службы. Бесплатную консультацию по нагревательным элементам вы можете получить по телефону, размещенному в контактах, или же свяжитесь с нами через форму на сайте.