3.1 Тема: Расчет и выбор тэНов

Цель занятия: освоить методику расчета и приобрести практические навыки по выбору герметичных нагревателей

Изучаемые вопросы:

- определение коэффициента теплоотдачи;

- расчет термических сопротивлений нагревателя;

- определение удельных мощностей;

- определение температуры спирали.

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. М.: Агропромиздат, 1989.

- Изаков Ф.Я. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 1972.

- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Уч. пособие. – Астана: Каз АТУ, 2009.

Краткое содержание

Определить температуру и удельную поверхностную мощность спирали гладкого трубчатого нагревателя рис. 3.1 При поперечном обтекании воздухом. Скорость воздуха  - [м/с], средняя температура воздуха t₀ = 30 C, температура наружной поверхности ТЭНа t₂, C. Нагреватели расположены в шахматном порядке, параметры пучка рис. 3.1: D = D₂, мм; S₁, мм; S₂, мм, число рядов нагревателей по движению воздуха Z = 5.

а) б)

Рисунок 3.1- а) эскиз ТЭНа ; б) размещение ТЭНов

1. нихромовая спираль, 2- наполнитель, 3 – трубка

Расчет ведем в последовательности приведенной ниже.

Определяем диагональный шаг пучка

S = , [мм]

Безразмерный параметр

Коэффициент теплоотдачи α:

α = 0,39 ∙ С , Вт/м²∙ ч

где - коэффициент теплопроводности воздуха;

P_r – критерий Прандтля = = 0,702;

 - скорость газа в узком сечении пучка нагревателя;

- кинематическая вязкость воздуха;

α – коэффициент температуропроводности воздуха;

С – постоянная, определяется по графику [1]

Для температуры t₀ =30 C физические характеристики воздуха: = 2,58 ∙ 10^-5 Вт / м ∙C; = 1,66 ∙ 10^-5 м²/с; P_r = 0,702; С = 0,9

Удельное контактное термическое сопротивление нагревателя

, м²∙С/Вт

Контактное сопротивление 1 м нагревателя

, м ∙С/Вт

Общее термическое сопротивление 1 м нагревателя

, м ∙С/Вт,

где = 0,112 м ∙С/Вт – термическое сопротивление 1 м наполнителя

коэффициент теплопроводности наполнителя = 1,5 Вт/(м∙С)

D_э – диаметр эквивалентного цилиндра, мм (расчет обратный)

Общее удельное термическое сопротивление по формуле:

, м²∙С/Вт

где D_э = 3,5 мм

Удельная мощность на наружной поверхности нагревателя

W_тр = , Вт / м²

Удельная мощность 1 м нагревателя

W_l =W_ТР ∙  ∙ D₂, Вт / м

Температура спирали t₁₌ t₂ + W_l∙ , С или t₁₌ t₀ + W_l∙ ,С

Удельная поверхностная мощность нагревательного сопротивления

W = , Вт/м²

Для самостоятельного решения задач, данные необходимо взять в индивидуальном задании

Практическое занятие 4 (объем – 1ч.)

4.4 Тема: Расчет тепловых режимов электронагревательных установок

Цель занятия: освоить методику расчета тепловых режимов ЭНУ

Изучаемые вопросы:

- общие положения теплового расчета;

- определение полезной мощности;

- подготовка эскиза и определение площадей поверхности ЭНУ;

- определение количества теплоты и времени нагрева.

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. М.: Агропромиздат, 1989.

- Изаков Ф.Я. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 1972.

- Бабко А.Н. Электромеханика и электротехническое оборудование: Уч. пособие. – Астана: Каз АТУ, 2009.

Краткое содержание

Выбор электронагревательных установок основывается на тепловом расчете, поэтому рассмотрим его основные положения.

Тепловой поток, который проходит через участок тепловой цепи в единицу времени, можно определить согласно закону Ома:

Р_т = , [Вт],

где - температурный перепад, С;

R_T термическое сопротивление участка, С/Вт

Термическое сопротивление изоляции, в зависимости от формы стенки и количества слоев определяется по разным формулам, например:

- для плоской стенки, R_T = , [С/Вт],

где - толщина изоляции, м;

коэффициент теплопроводности, Вт/м∙С;

S – площадь поверхности стенки, м²

Для многослойной стенки, термическое сопротивление складывается из суммы тепловых сопротивлений:

R_T = R₁ +R₂ + …+ R_n

Для цилиндрической стенки:

R_T = [С/Вт],

где L – длина цилиндра, м;

d_н и d_вн – наружный и внутренний диаметр изоляции, м

Для определения потока излучения реальных тел используется мощность потока излучения абсолютно черного тела (закон Стефана-Больцмана), с учетом коэффициента излучения реальных тел:

Р_р = С_Р∙ ( )⁴ ∙S, [Вт]

где С_р – коэффициент лучеиспускания реального тела.

Продолжительность нагрева для изделий различной толщины и формы можно найти по выражениям приведенным ниже:

- для тонких изделий с хорошей теплопроводностью

, [С]

- для массивных деталей с низкой теплопроводностью,

, [С];

- для деталей цилиндрической формы,

,

где с – удельная теплоемкость материала детали, кДж/(кг∙С);

– масса детали, кг;

t_H и t_K – начальная и конечная температура детали, С;

t – температура установки или печи, С;

S – площадь поверхности деталей, м²

r – радиус цилиндра, м;

- толщина стенки, м

Мощность нагревателей установки:

Р_уст.= ,

- КПД нагревателей установки

Количество теплоты, требуемое для прогрева изоляции установки:

Q_из = [кДж].

Мощность нагревательной установки по энергоемкости:

Р_уст. = W_o∙ g [ кВт],

W_o – удельная энергоемкость процесса, ;

g – производительность нагревательной установки, кг/ч

Пример расчета мощности печи для закалки деталей.

Требуется производительность закалку стальных стержней длиной l и диаметром d (мм).

В печь закладывается 8  10 деталей. Между деталями и тепловой изоляцией необходим зазор 120-130 мм. Время нагрева не более 2 часов, температура закалки t_з. Тепловая изоляция двухслойная (1 слой из шамотового кирпича толщиной 70 мм, 2 слой из вермикулитовой засыпки толщиной 300 мм). Остальные исходные данные принять согласно приложения, по своему варианту.

Решение задачи

1. Определяем массу стержней:

= n∙ ,

где n - количество стержней, шт;

- плотность стали (можно принять – 7,8 гк/дм³);

d – диаметр стрежня, дм;

l - длина стержня, дм.

2. Найдем количество теплоты, требуемой для нагрева деталей:

Q = c [кДж],

где с – теплоемкость стали (с = 0,482 )

3. Определим полезную мощность:

Р_пол. = [кВт]

4. Подготовить эскиз согласно рисунка 4.1 (согласно своего варианта)

Рисунок 4.1 – Эскиз закалочной печи

1 – слой теплоизоляции; 2- огнеупорный слой теплоизоляции; 3- контейнер; 4 -детали.

После определения габаритов нагревательной установки (исходя из размеров и количества деталей). Необходимо найти площади: внутренней поверхности печи S₁; наружной поверхности шамотовой кладки S₂; наружной поверхности печи S₃.

Затем, определяется средняя поверхность шамотовой кладки и теплоизоляционной засыпки:

S_ш = [м²];

S_в = [м²]

Далее, находится масса шамотовой кладки:

m_ш = [кг],

где Y_ш – плотность шамотовой кладки (Y = 2,58 кг/дм³)

Масса теплоизоляционной засыпки:

m_e = Y_e [кг], Y_e = 0,25 кг/дм³

Массу жаропрочных изделий можно принять:

m_ж  0,25∙ [кг].

Тогда, тепловые потери печи через стенки:

Р_пот. = [Вт],

где - теплопроводность вермикулита ( );

- теплопроводность шамота ( );

- для кирпичных и металлических окрашенных стен, при t = 4060 С ( = 12 ).

Теплопередачей внутренней стенки можно пренебречь [1/( )= 0].

5. Определим требуемую мощность для нагрева деталей в стационарном режиме:

Р = Р_пол + Р_пот [кВт]

6. При необходимости можно определить температуру между слоями:

t_сл = t_вн - Р_{пот ,} (t_{вн =} t_з); (необходимо проверить по допустимой, для данного типа изоляции);

- температуру наружной стенки t_ст = t_нар+

- среднюю температуру теплоизоляционной кладки t_ш = ;

- среднюю температуру теплоизоляционной засыпки t_в=

7. Находится количество тепла необходимое для нагрева шамотовой кладки:

Q_ш = С_ш [кДж];

С_ш = 0,88 +0,23 (t_ш / 2) [кДж/кг∙С].

8. Количество теплоты необходимое для нагрева вермикулитовой засыпки:

Q_в = С_в [кДж],

теплоемкость вермикулита С_в = 0,63 .

9. Количество теплоты необходимое для нагрева жаропрочных конструкций печи:

Q_ж.к. = С_ж.к. [кДж]

10. Общее количество теплоты необходимое для нагрева всей печи:

Q_к.п. – Q_ш +Q_в+Q_ж.к. [кДж]

11. Продолжительность нагрева печи, при рассчитанной мощности, в стационарном режиме:

[час]

12. Коэффициент полезного действия нагретой печи:

;

После проведенных расчетов необходимо провести анализ и произвести корректировку.

Практическое занятие 5 (объем – 1ч.)