2.4. Таблица токовых нагрузок

Пример 1. Рассчитать электрический нагреватель в виде проволочной спирали по допустимой удельной поверхностной мощности Рр.

Условие. Мощность нагревателя Р-3,5кВт, напряжение питания 17= 220В; материал провода — нихром Х20Н80 (сплав из 20 % хрома и 80 % никеля), поэто­му удельное электрическое сопротивление провода р2о⁼ 1,1 ■ Ю~⁶ Ом ■ м; темпера­турный коэффициент сопротивления сс_р = 16 ■ 10~⁶ 1/°С; спираль открытая, нахо­дится в металлической пресс-форме, рабочая температура спирали Г_сп = 400°С, /⁾_/-=12-10⁴Вт/м².

Определить й, /_п, Д /г, п, /_сп (обозначения аналогичны рис. 2.12, б).

Решение. Сопротивление проволочной спирали: Л = 1/²/Р = 220²/3500 =

= 13,8 Ом.

Удельное электрическое сопротивление при 7"_сп = 400°С Р4оо ⁼ Ы ' Ю~⁶[1 + + 16- 10~⁶(400 — 20)] = 1,1 Г 10~⁶Ом-м. По выражению (2.76) находим диаметр

191

<\{кО)²+к² -М^]40,01)²+0,003^:

Длина спирали /_сп = кп = 0,003 -311= 0,933 м = 93,3 см.

Пример 2. Конструктивно рассчитать проволочный нагреватель сопротивле­ния при определении диаметра провода й с помощью таблицы токовых нагрузок (см. табл. 2.4).

Условие. Мощность проволочного нагревателя Р— 3146 Вт; напряжение пита­ния 17= 220 В; материал провода — нихром Х20Н80 р₂о= 1,1 ■ Ю~*Ом-м; = 16 • 10~⁶1/°С; спираль открытая, расположенная в потоке воздуха {К_ы = 0,85,

= 2,0); допустимая рабочая температура провода Т_п =470°С.

Определить диаметр й и длину провода /_п

Решете. По формуле (2.77) Т„ = К_МК_СТ_Д = 0,85 -2-470 °С = 800 °С. Ток проек­тируемого нагревателя 1 = Р/11= 3146/220= 14,3 А.

По таблице токовых нагрузок (см. табл. 2.4) при Г_р = 800 °С и /= 14,3 А нахо­дим диаметр и сечение провода й= 1,0 мм и 5= 0,785 мм².

Длина провода

Далее при необходимости аналогично первому примеру могут быть определе­ны Х>, А, л, /_сп.

Пример 3. Определить допустимое напряжение на трубчатом электрическом нагревателе (ТЭНе).

Условие. Спираль ТЭНа выполнена из нихромовой проволоки диаметром </ = 0,28 мм и длиной / = 4,7м. ТЭН находится в спокойном воздухе, имеющем температуру 20 "С. Характеристика нихрома: р₂о ⁼ 1,1" 10~⁶ Ом ■ м; (Хр = 16 • 10~⁶ 1/°С. Длина активной части оболочки ТЭНа Ь_а = 40 см. ТЭН гладкий, наружный диаметр 4,6 =16 мм. Коэффициент теплоотдачи <х = 40Вт/(м² -°С). Термические сопротив­ления: наполнителя Л^ ⁼ 0,3 °С/Вт, стенки оболочки Л^ = 0,002 °С/Вт.

Определить, какое максимальное напряжение можно приложить к ТЭНу, что­бы температура его спирали Т_сп не превышала 1000 °С.

Решение. Температура спирали ТЭНа Т_сп = Т_о + Р(К_т1 + К^г + #гз), ^гле Т_о — температура окружающего воздуха; Р — мощность ТЭНа, Вт; Л,] — контактное термическое сопротивление на границе трубка — среда.

192

1,25 + 0,002 + 0,3

Если номинальное напряжение, указанное на ТЭНе, равно 220 В, то перенап­ряжение при Г_сп = 1000 °С составит 5,6 % 17_Н.

Стальные электронагреватели. В процессах сельскохозяйствен­ного производства широко используют также электрические на­греватели из стали благодаря их доступности и низкой стоимости. Им часто можно отдать предпочтение в тех процессах нагрева, где значительно большая (в 7... 10 раз) длина стальных нагревателей по сравнению с высокоомными не представляет собой препят­ствия к применению, например, для обогрева полос пола и пане­лей в животноводческих помещениях, обогрева почвы и воздуха в парниках и теплицах и т.п.

Недостаток стальных нагревателей — нестабильность их основных электрических параметров: электрического сопротивле­ния, температурного коэффициента сопротивления и магнитной проницаемости.

Отметим, что полное сопротивление стального нагревателя пе­ременному току с учетом поверхностного эффекта и внутренней -индуктивности может быть определено по выражению

(2.83)

где К_а — коэффициент поверхностного эффекта, представляющий собой отноше­ние активного сопротивления в цепи переменного тока к омическому сопротив­лению для постоянного тока, то есть К_п = Я/К=; созф — коэффициент мощности.

13-6572 193

Степень влияния поверхностного эффекта зависит от геомет­рических размеров, удельного электрического сопротивления проводника р_д, магнитной проницаемости стали ц._с и частоты тока/.

Для диаметров стальных проводов й? = 1...6мм и удельной ли­нейной мощности Р_х = 20...100 Вт/м, коэффициент К_п = 1 + 0,0176с?².

В соответствии со сказанным ток через нагреватель /= 11/2.

Диаметр, м, стального провода

В приведенных выражениях удельную поверхностную мощ­ность Рр принимают меньшей в 2...2,8 раза табличных значений для нагревателей из сплавов хрома и никеля.

Основные типы элементных водонагревателей. В сельскохозяй­ственном производстве широко распространены водонагреватели серий: УАП (универсальный автоматический подогреватель), САОС (нагрев сопротивлением аккумуляционного типа, открытая система горячего водоснабжения), САЗС (нагрев сопротивлением аккумуляционного типа, закрытая система горячего водоснабже­ния), ЭВ и ЭВП (электрические водоподогреватели) и др.

Основные технические характеристики элементных водонагре­вателей приведены в таблицах 2.5 и 2.6.

2.5. Технические характеристики элементных емкостных водонагревателей

Большинство элементных водонагревателей имеют резервуар для воды; защитный кожух; слой теплоизоляции, расположенный между резервуаром и кожухом; один или два блока ТЭНов (в зави­симости от типа и мощности нагревателя); одно или два темпера­турных реле; патрубки или трубопроводы горячей и холодной воды. У многих аппаратов температуру воды контролируют визу­ально при помощи термометров.

Электроводонагреватели типа Ж/7 используют для нагрева воды в различных процессах сельского хозяйства, в мастерских, гаражах, коммунально-бытовых предприятиях. Электронагреватели УАП-400 имеют один блок нагревателей, УАП-800 и УАП-1600 —по два блока. В результате последние могут работать с тремя уровнями мощности, определяемыми соотношением 1:2/3:1/3, что соответ­ствует трем режимам работы — форсированный нагрев, аккумуля­ционный режим и разогрев одной четверти объема. Нагреватель­ные блоки электроводонагревателей УАП, ЭВ-150, ЭВП состоят из трех ТЭНов. Принцип работы указанных водонагревателей одинаков. Их используют в открытых системах горячего водоснаб­жения, когда горячую воду разбирают, открыв кран холодной воды на входе в водонагреватель.

Электроводонагреватели САОС и САЗС также используют для горячего водоснабжения. Они имеют три режима работы по мощ--ности и работают при избыточном давлении воды до 0,4 МПа.

Благодаря прилагаемому циркуляционному насосу водонагре­ватель САЗС можно использовать в замкнутых системах отопле­ния, поения с подогревом воды и др.

На рисунке 2.13 показано устройство водонагревателей САОС и САЗС. Холодная вода поступает в водонагреватель через ниж­ний трубопровод 7, на котором кроме вентиля может быть уста-

I³* 195

Рис. 2.13. Элементные водонагреватели САОС и САЗС вместимостью 400 л:

/ — циркуляционный насос; 2—трубопровод горячей воды; 3— показывающий термометр; 4- шкаф управления; 5-кожух; 6-блокТЭНов; 7—трубопровод холодной воды; « — изо­лирующие вставки

новлен обратный клапан для предотвращения обратного хода воды. Вода блоком ТЭНов 6 нагревается до необходимой темпе­ратуры, которая автоматически поддерживается в нагретом со­стоянии на заданном уровне терморегулятором Т-419, датчик которого ТСМ находится в воде и расположен в одном блоке с

ТЭНами.

В качестве аварийного регулятора используют биметалличес­кий терморегулятор ТР-200 или терморегулирующий блок ТРК. Шкаф управления 4 устанавливают на самом водонагревателе (САОС-400) или на стене. Водонагреватели, как правило, имеют предохранительный пружинный клапан, срабатывающий при уве­личении давления воды более 0,4 МПа.

При сравнительно большой вместимости водонагреватели УАП и САОС могут работать в аккумуляционном режиме, запасая горя­чую воду в «провалах» графиков электрических нагрузок.

Водонагреватели САОС могут работать по четырем схемам раз­бора воды: при разборе горячей воды в одной и в нескольких точ­ках (при наличии напорного бака), с разбором воды при высоком давлении (закрытых кранах на выходе), при питании душевой ус­тановки с расходным баком.

196

На рисунке 2.14 показана принципиальная электрическая схе­ма управления работой водонагревателя САОС-800 с двумя двух-позиционными регуляторами температуры 1/К1 и 1/К2. Регулятор ИК2 (Т-419) контролирует рабочую температуру воды, а 11К1 (ТРК) — аварийную» Датчики регуляторов типа ТСМ находятся в воде в одном блоке с ТЭНами. Автоматическими выключателями ОР1 и ОР2 задаются необходимые режимы работы. Водонагрева­тель включают нажатием кнопки 8В2. При этом получает питание промежуточное реле КЫ, которое в зависимости от режима рабо­ты (определяемого 0.Е1 и 0Р2) включает магнитные пускатели КМ1 и КМ2 или один из них. Вода нагревается до температуры, соответствующей верхней уставке регулятора 1/К2. При ее дости­жении водонагреватель отключается от сети и нагрев воды прекра­щается. Включение происходит при снижении температуры воды до нижней уставки температуры регулятора.

Элементные водонагреватели ЭВП (см. табл. 2.6) используют в системах отопления с естественной и принудительной циркуля­цией воды, а также для получения горячей воды на технические нужды.

Проточные элементные электроводонагреватели ЭПВ-2А, ЭВ-Ф-15 (рис. 2.15) представляют собой стальной цилиндр, внутри которо­го смонтированы ТЭНы и температурное реле, отключающее на­греватель от питающей сети при нагреве воды до установленной

-380/220В и 1213Ы

197

I

Р ис. 2.15. Проточный электроводонагреватель ¹ ЭВ-Ф-15:

/ — защитный кожух; 2 — резервуар; 3 — ТЭН; 4 —

предохранительный клапан или струйное реле; 5—

терморегулятор ТР-200; 6—термометр; 7—обратный

клапан

температуры. Основные их характе­ристики приведены в таблице 2.7. В комплекте с нагревателями поставля­ются шкафы управления, которые контролируют и поддерживают необ­ходимую температуру воды в резерву­арах, а также наличие или отсутствие тока воды.