8

Лабораторная работа № 1 исследование открытых нагревательных элементов

Цель работы. 1. Исследовать зависимость установившейся температуры открытых нагревательных элементов от силы тока, конструкции и условий охлаждения. 2. Определить опытным путем коэффициенты монтажа и среды.

Программа работы

1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

2. Исследовать зависимость установившейся температуры от силы тока t_у=f(I) для нагревательных элементов, выполненных в виде: прямой проволоки; проволочной спирали без каркаса; проволоки, навитой на керамический каркас.

3. Определить коэффициенты k_м монтажа для указанных нагревателей.

4. Определить коэффициенты теплоотдачи  для указанных нагревателей. Построить зависимости  = f(I).

5. Исследовать зависимость установившейся температуры от скорости воздуха t_у=f() при I=const для проволочной спирали без каркаса.

6. Определить коэффициенты k_с среды и _с для проволочной спирали без каркаса при различной скорости воздушного потока. Построить зависимости k_с = f(), _с = f().

Общие сведения

Нагрев сопротивлением основан на преобразовании электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока через нагревательные элементы. Количество выделенной теплоты в соответствии с законом Джоуля-Ленца равно

, (1)

где I – величина тока, проходящего в нагревательном элементе, А; R – сопротивление нагревательного элемента, Ом;  - время прохождения электрического тока, с.

Материалы, из которых изготавливают нагревательные элементы, должны отвечать следующим требованиям: обладать большим удельным сопротивлением, высокой жаростойкостью и жаропрочностью, малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, постоянством электрических свойств, технологичностью, малой стоимостью и малым коэффициентом линейного расширения.

В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечают сплавы на базе никеля и хрома. Наилучшими свойствами обладают двойные сплавы – нихромы, содержащие 20% хрома и 80% никеля (Х20Н80-Н, Х20Н80Т). В низкотемпературных и среднетемпературных установках распространены более дешевые тройные сплавы, содержащие 13-15% хрома, около 60% никеля, остальное - железо (Х15Н60-Н) и железохромалюминиевые сплавы – фехрали, содержащие 13% хрома, 83% железа и 4% алюминия (Х13Ю4). Применяют также нагреватели из нержавеющих сталей, например 1Х18Н9Т и др.

Одним из основных факторов, обуславливающих срок службы нагревателей, является их рабочая температура. При нагреве на поверхности элементов образуется окисная пленка, которая защищает глубинные слои материала от окисления. Для каждого материала установлена максимально допустимая рабочая температура,⁰С:

Нихром 900…1000

Фехраль 800…1000

Стальная проволока 300

Если температура нагревателя превышает максимально допустимую для данного материала, то процесс окисления резко усиливается и срок службы нагревателя сокращается.

Согласно теории нагрева однородного тела процесс нагрева элементов током, проходящим по ним, описывается уравнением

, (2)

где , и - текущее, начальное и установившееся превышение температуры тела над окружающей средой, ^оС;  - время протекания тока, с; Т– постоянная времени нагрева, с.

В установившемся режиме мощность P, подводимая к нагревателю, равна тепловому потоку с единицы его поверхности в окружающую среду.

, (3)

где  – теплоотдача нагревателя в окружающую среду при разности температур нагревателя и окружающей среды 1⁰С, Вт/⁰С.

Из уравнения (3) следует, что установившаяся температура нагревателя прямо пропорциональна подводимой к нему мощности (квадрату протекающего тока) и обратно пропорциональная теплоотдаче с его поверхности. Теплоотдача зависит от конструкции нагревателя (прямая проволока, проволочная спираль без каркаса, проволока, навитая на изоляционный каркас, и т.д.) и условий окружающей среды (неподвижный воздух, поток воздуха, жидкость т.д.).

При расчете нагревательных элементов по рабочему току диаметр проволоки нагревателя определяют по экспериментальным зависимостям установившейся температуры нагревателя t_у от силы тока I, снятым для различных диаметров (сечений) проволоки нагревателя. В литературе 1 приводятся таблицы t_у=f(I) для нагревателя, выполненного в виде прямой проволоки, расположенной горизонтально в спокойной воздушной среде с температурой 20^oC. Для расчета нагревателей другой конструкции (спиралей без каркаса, проволоки на керамическом каркасе и т.д.) или работающих в иной среде (потоке воздуха, воде и т.д.) находят условную температуру по формуле

t_усл= t_у k , (4)

где k_м и - коэффициенты монтажа и среды, учитывающие влияние конструктивного исполнения нагревателя и среды на температуру нагревательного элемента.