2.4.2. Элементные водонагреватели

Наиболее широко в сельском хозяйстве используют ЭНУ кос­венного нагрева, в которых реализован способ нагрева сопротив­лением с помощью нагревательных элементов (см. рис. 2.2, в).

Элементные ЭНУ подразделяют по характеру работы: на непрерывного и периодического действия (проточные и непро­точные); по конструктивным особенностям —на переносные, напольные, настенные; по числу фаз — на од­нофазные и трехфазные; по используемому напряже­нию — с напряжением до 1000 В (как правило, 220 и 380 В) и свыше 1000В; по используемым нагревательным элементам — с трубчатыми электрическими нагревательными элементами (ТЭНами) и с герметичными угольно-графитовыми проводниками и покрытиями (применение других элементов, на­пример открытых спиралей сопротивления, в водонагревателях

запрещено).

Элементные электрические водонагреватели используют для нагрева воды на технологические и санитарно-гигиенические нужды ферм и комплексов, для подогрева воды в автотракторных мастерских, в теплично-парниковом хозяйстве, в консервном производстве и при выпечке хлеба, для изготовления различной питьевой воды и пива, а также на других сельскохозяйственных

предприятиях.

Основные преимущества элементных ЭНУ — мощность, потребляемая из сети нагревателем, не зависит от удельного элек-

184

трического сопротивления воды р₂о и практически не зависит от температуры воды; ЭНУ может быть сразу же использована для нагрева питьевой воды (без использования промежуточных тепло­обменников); у нагревателей имеется возможность быстрой заме­ны вышедших из строя ТЭНов; при пропаже одной из фаз со сто­роны питания асимметрия напряжений менее опасна.

Однако работа элементных ЭНУ при неполнофазном режиме запрещена, а в сеть водоснабжения их должны включать через

изолирующие вставки.

Недостатки элементных ЭНУ — выход из строя ТЭНов (перегорание) из-за прекращения подачи или упуска воды из сис­темы; меньшее значение мощности на единицу массы и объема по сравнению с электродными ЭНУ, а также более сложная конст­рукция с более низким КПД; меньшие возможности регулирова­ния мощности (ступенчатое регулирование при ограниченном ко­личестве ступеней).

Выбор ТЭНов. Их выбирают по расчетной мощности ЭНУ. В соответствии с (2.28) для непроточных элементных нагревателей мощность Р_р определяют по выражению, Вт,

(2.73)

где т — масса нагреваемой воды, кг; ?_нагр — продолжительность нагрева, с. Если дан объем нагрева"⁴"⁴" ^оп™ V, л, то

где р — плотность воды, равная 1 кг/л.

Для проточных ЭНУ аналогично (2.56')

(2.730

где т, — массовая, кг/с, или объемная, л/с, производительность установки, т, = К,р, при р = 1 кг/л т, численно равно V,.

При конструировании элементных ЭНУ ТЭНы выбирают по расчетной мощности [см. формулы (2.56), (2.73)], необходимой для нагрева среды или вещества. Далее по каталогам выбирают ТЭНы, соответствующие условиям эксплуатации, напряжению, мощности, температуре оболочки и нагреваемой среде, а также форме, возможности размещения нагревателя в рабочем про­странстве. Число ТЭНов определяют в зависимости от Р_р и Р_ь то есть п = Р_р/Р\. Число ТЭНов и должно быть кратно трем для воз­можности питания от трехфазной сети.

ТЭНы могут быть выбраны также по расчетной площади, м², общей поверхности нагрева в расчете на одну фазу:

где Рр — допустимая удельная поверхностная мощность ТЭНа, Вт/м².

185

" " '" (2.74)

Значение Рр зависит от материала трубки, цели и условий на­грева. Так, для ТЭНов со стальной оболочкой при нагреве и кипя­чении воды Р_Р= (7...10) ■ 10⁴Вт/м²; при нагреве молока и темпе­ратуре на оболочке ТЭНа, равной 150 "С, Р_Р= 3 • 10⁴ Вт/м². Спе­циальные одноконцевые ТЭНП патронного типа отличаются высокой удельной поверхностной мощностью до 38 • 10⁴ Вт/м². Необходимое число ТЭНов

(2.75) где /"п! — площадь поверхности одного ТЭНа, м².

Условия эксплуатации. Если условия эксплуатации выбранных ТЭНов отличаются от установленных заводом-изготовителем, то делают проверочный расчет, определяя фактическую температу­ру поверхности трубки Гф_акт и удельную поверхностную мощ­ность Рр.

С уменьшением температуры на поверхности трубки повыша­ется надежность и долговечность ТЭНа. Если ТЭНы в данных условиях эксплуатации при номинальном напряжении перегру­жены, их можно использовать, включив на пониженное напря­жение. Однако это приводит к недоиспользованию ТЭНов по мощности и должно быть обосновано (снижение напряжения в два раза уменьшает мощность, развиваемую ТЭНом, в четыре

раза).

ТЭНы по исполнению считают герметичными в отличие от применяемых открытых нагревателей в виде изогнутых лент и проволочных спиралей из различных сплавов, а также закрытых, где нагреватели размещают в кожухах или радиационных трубах. Заводы-изготовители часто не гарантируют герметичность ТЭНов, работающих в воздушной среде. Поэтому применение их в других средах (в том числе в воде) не рекомендуется.

Теплота от открытых нагревателей передается конвекцией и излучением, от закрытых — главным образом конвекцией. ТЭНы работают в установках кондуктивного, конвективного и лучистого нагрева.

По данным «Миассэлектро», средняя наработка ТЭНов до от­каза при работе в жидкостных средах составляет не менее 5000 ч, при работе в воздушной среде — до 12 000 ч. Обозначения наибо­лее распространенных сред, нагреваемых с помощью ТЭНов: Р — вода или водные растворы; I — жиры, пищевые масла; 2 — технические масла; Ь — нагрев литейных и пресс-форм; 5 — спо­койный воздух; Т — воздух, двигающийся со скоростью до 1,5 м/с при температуре на оболочке ТЭНа от 450 до 650 °С; О — воздух, движущийся со скоростью не менее 6 м/с при температуре до 450 "С.

186

Примечание. Буквы в марках сплавов означают: X — хром; Н — никель; Ю — алюминий; Т — титан. Цифры после букв — процентное содержание элемен­та. А — высококачественный сплав, Н — для нагревательных элементов.

Устройство. На рисунке 2.12 показано устройство ТЭНа. Он со­стоит из тонкостенной (0,8...1,2 мм) металлической трубки (обо­лочки) /, в которой размещена нагревательная спираль 2 из про­волоки высокого удельного электрического сопротивления. В ка­честве материалов для проволоки используют нихромы и фехрали, В ЭНУ с рабочей температурой выше 1250 °С применяют туго­плавкие металлы — вольфрам, тантал, ниобий, или используют неметаллические материалы — карборунд, молибден или графит (табл. 2.3). Трубку нагревателя часто выполняют из углеродистой стали (10 или 20) или из нержавеющей стали. Для подогрева воды трубка может быть выполнена из меди или латуни, покрытых оло­вом, никелем или хромом. Спираль изолируют от трубки напол^: нителем 4, имеющим высокие электроизолирующие свойства и хорошо проводящим теплоту. В качестве наполнителя чаще всего используют периклаз (кристаллическая окись магния). После за­полнения периклазом ТЭН опрессовывают и спираль жестко фик­сируют по оси трубки.

Контактные шпильки (или стрежни) 3, соединенные с конца­ми спирали 2, имеют снаружи контактные гайки 7 для подключе­ния электрических проводов или разъемов. Шпильки 3 изолируют от трубки изоляторами 6, торцы герметизируют влагозащищен-ным кремнийорганическим лаком (герметикой) 5.

Преимущества ТЭНов — универсальность, надежность и безопасность обслуживания. Их можно использовать в устрой-

187

Рис. 2.12. Трубчатый электрический нагреватель (ТЭН):

на-

а — конструктивная схема; б— расчетные параметры спирали ТЭНа; / — оболочка; 2—на гревательная спираль; 3 — контактная шпилька; 4— наполнитель (периклаз); 5— герметик; 6— изолятор; 7— контактная гайка

ствах с давлением до 9,8 • 10⁵ Па. Рабочая поверхность ТЭНов мо­жет достигать температуры 800 °С, что приемлемо для большин­ства сельскохозяйственных тепловых процессов.

Применение. ТЭНы широко используют в водонагревателях, электрокипятильниках, чайниках и кофеварках, теплоаккумули-рующих установках, электроплитах и электропечах, в электрока­лориферах и т. д. Промышленность выпускает ТЭНы на напряже­ние от 6 до 380 В мощностью от 15 до 25 ■ 10³ Вт с развернутой длиной от 10 до 630 см и диаметром используемой гладкой трубки от 6 до 20 мм. При нагреве газообразных сред для увеличения теп-лоотвода от ТЭНа применяют его оребрение. Для рационального размещения ТЭНов в нагревателе им придают различную форму. Устанавливают их при помощи крепежных штуцеров, хомутов, планок, хвостовиков, уплотняющих втулок, разъемов и т. п.

Маркировка. В сельскохозяйственном производстве использу­ют трубчатые электронагреватели серий ТЭН, ТЭНП, ЭТ, НВ, НВЖ, НВС, НВСЖ, НММ, НММЖ и др. Расшифровка буквен-

188

ных обозначений: ЭТ — электронагреватель трубчатый; П — пат­ронного типа; Н — нагреватель; В — воды; ВС — воздуха; ММ — масла; Ж — с жаропрочной оболочкой.

Пример расшифровки обозначения нагревателя ТЭН-100А13/ 4,0Р220: ТЭН — трубчатый электрический нагреватель; 100 — пол­ная (развернутая) длина оболочки ТЭНа Ь, см; А — длина контак­тной шпильки (стержня) в заделке /_к = 40 мм; 13 — наружный диа­метр ТЭНа, йф, мм; 4,0 — потребляемая мощность, кВт; Р — на­греваемая среда (в данном случае вода); 220 — напряжение пита­ния, В.

Величина /_к может быть различной в зависимости от условий ра­боты ТЭНа (А = 40 мм; 5 = 65 мм; С= 100 мм и т. д.). Полной дли­ной Ь ТЭНа считают длину от края до края трубки (см. рис. 2.12): X = Х_а + 2/_к, где Ь_а — длина активной части трубки ТЭНа. Отдель­ные фирмы в конце принятого обозначения указывают иногда вид климатического исполнения (УХЛЗ, УХЛ4) или радиус закругле­ния, см, и наличие штуцера.

Расчет ТЭНа. Для определения одного из главных параметров провода ТЭНа — диаметра с?, м (мм), — используют два метода расчета: по допустимой удельной поверхностной мощности Р^ис помощью таблицы токовых нагрузок (табл. 2.4).

Допустимая удельная поверхностная мощность Рр=Р/р, где Р— мощность проволочного нагревателя, Вт; Р—мй\ — площадь поверхности нагревателя, м²; / — длина провода, м. Согласно пер­вому методу

Во втором методе используют таблицу токовых нагрузок (см. табл. 2.4), составленную по экспериментальным данным. Для того чтобы воспользоваться указанной таблицей, необходимо опреде­лить расчетную температуру нагрева Т_р, связанную с действитель-

189

ной (или допустимой) температурой провода Т_й соотношением:

(2.77)

где К_м — коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение условий охлаждения нагревателя из-за его конструктивного исполнения; К_с — коэффициент среды, учитывающий улучшение условий охлаждения нагревателя по сравнению с не­подвижной воздушной средой.

Для нагревательного элемента из провода, свитого в спираль, К_м = 0,8...0,9; то же, с керамическим основанием К_м = 0,6...0,7; для провода нагревательных плиток и некоторых ТЭНов К_м = 0,5...0,6; для провода электронагревателей пола, почвы и ТЭНов К_м = 0,3...0,4. Меньшее значение К_м соответствует нагре­вателю меньшего диаметра, большее — большего диаметра.

При работе в условиях, отличающихся от свободной конвек­ции, для нагревательных элементов в воздушном потоке принима­ют Кс = 1,3...2,0; для элементов в неподвижной воде Кс = 2,5; в по­токе воды — К_с = 3,0...3,5.

Если заданы напряжение Щ и мощность Рф будущего (проек­тируемого) нагревателя, то его ток (на одну фазу)

(2.78)

По расчетному значению тока нагревателя (2.78) для требуемой расчетной температуры его нагрева (2.77) по таблице 2.4 находят необходимый диаметр нихромового провода с? и рассчитывают не­обходимую длину провода, м, для изготовления нагревателя:

(2.79)

где й — выбранный диаметр провода, м; р_д — удельное электрическое сопротивле­ние провода при действительной температуре нагрева, Ом ■ м,

(2.80)

где а_р — температурный коэффициент сопротивления, 1/°С.

Для того чтобы определить параметры спирали из нихрома (см. рис. 2.12), принимают средний диаметр витков /)= (6...10)й?, шаг

с пирали Н = (2..Л)с1, число витков л =/_п/^/(тс/))² +//², длину спира­ли /_сп = Ли.

где ку _с — коэффициент, учитывающий уменьшение сопротивления спирали; по опытным данным ку_С= 1,25. Следует также учитывать, что удельная поверхност-

190

При расчете ТЭНов следует помнить, что сопротивление про­вода спирали после опрессовки ТЭНа

ная мощность провода спирали больше в 3,5...5 раз удельной поверхностной мощ­ности на трубке ТЭНа.

В практических расчетах ТЭНа сначала определяют температу­ру на его поверхности

(2.81)

где Т_о — температура окружающей среды, °С; Р— мощность ТЭНа, Вт; Л^ —тер­мическое сопротивление на границе трубка — среда, °С/Вт.

Затем определяют температуру спирали:

(2.82)

где Лд — термическое сопротивление стенки трубки, °С/Вт; Л^ — термическое со­противление наполнителя, °С/Вт; ^ = 1/аР, где а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² °С); Р— площадь поверхности нагревателя, м²; ^^Ъ/ХР, 5 —толщина стенки, м; X — теплопроводность стенки, Вт/(м ■ °С).