2. Разработка стабилизированной конструкции для индукционно-резистивной системы нагрева вихревыми токами во взрывозащищенном исполнении

2.1. Общие положения

Согласно ГОСТ IEC 60079-30-1-2011, стабилизированная конструкция (стабилизированный дизайн) – это конструкция, при которой температура электронагревателя в зависимости от исполнения и использования стабилизируется на уровне ниже предельной температуры в самых неблагоприятных условиях без использования защитной системы ограничения температуры. Предельная температура определяется температурным классом взрывоопасной зоны, то есть той температурой, при которой возможно воспламенение взрывоопасных веществ в данной зоне с последующим взрывом.

Таким образом, необходим метод расчета максимальной температуры нагревательной трубки системы ИРСН вихревыми токами.

В основе стабилизированной конструкции лежит принцип определения максимальной температуры объекта и поверхности электронагревателя в худших условиях эксплуатации. Это расчет условий равновесия, которые возникают, когда количество подводимого тепла равно потере тепла системой. Набор худших условий включает в себя следующее:

1.Максимальную температуру окружающей среды, которую, как правило, принимают на уровне 40 °С, если не указано иное;

2.Отсутствие ветра (неподвижный воздух);

3.Использование умеренного или минимального значения коэффициента теплопроводности теплоизоляции;

4.Отсутствие температурного регулирования по проекту или с целью смоделировать отказ температурного реле;

5. Электронагреватель работает при напряжении, превышающем установленное рабочее напряжение на 10 %;

6. Предположительно, электронагреватель работает на верхнем пределе производственного допуска или при минимальном удельном сопротивлении для последовательно подключаемых электронагревателей.

2.2. Разработка методики расчета стабилизированной конструкции

Расчет систем промышленного электрообогрева сводится к определению требуемой мощности обогрева. Расчет ведется исходя из рекомендаций ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005,обобщившего мировой опыт электрообогрева во взрывоопасных зонах. Вначале определяются тепловые потери с поверхности трубопроводов. При этом используются формулы расчета теплового потока через цилиндрическую стенку, а также формулы учитывающие влияние условий окружающей среды. Тепловые потери с поверхности трубопроводов определяются по формуле (2.1):

, (2.1)

где - требуемая температура на поверхности трубы, ºС;

- минимальная температура окружающей среды, ºС;

- коэффициент, учитывающий дополнительный поток теплоты

через неучтенные расчетом конструктивные элементы

(обычные значения коэффициента 1,2.1,36);

- термическое сопротивление теплоизоляции, м²* ºС /Вт.

Термическое сопротивление теплоизоляции находится по формуле (2.2):

, (2.2)

где - диаметр по изоляции, мм;

- наружный диаметр трубы, мм;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт/м* ºС.

Диаметр изоляции трубопровода находится по формуле (2.3):

, (2.3)

где - толщина теплоизоляции, мм.

Коэффициент теплоотдачи с поверхности трубопровода определяется по формуле (2.4):

, (2.4)

где - средняя скорость ветра, м/с.

Для того, чтобы определить максимально допустимую температуру нагревателя, необходимо знать количество теплоты, подводимое к обогреваемому объекту. В нашем случае нагревательным элементом являются нагревательные трубки. На рис. 2.1 представлен трубопровод с закрепленными на нем нагревательными трубками.

Рис. 2.1. Общий вид трубопровода с установленными на нем нагревательными трубками

Исходя из определения стабилизированной конструкции, мощность подводимого тепла нагревательным элементом равна мощности тепловых потерь при худших условиях.

, (2.5)

где - тепловые потери при худших условиях.

Согласно равенству (2.5), подставим в (2.1) и выразим температуру, до которой может нагреться трубопровод:

, (2.6)

где - температуры окружающей среды при худших условиях,

ºС.

Исходя из набора худших условий п.5, электронагреватель работает при напряжении, превышающем установленное рабочее напряжение на 10 %. Так как сопротивление нагревательного элемента незначительно изменяется при изменении температуры, то по закону Джоуля-Ленца:

, (2.7)

где - напряжение питания подводимое к нагревательному

устройству, В;

- сопротивление нагревательного устройства, Ом.

Мощность нагревательного устройства увеличится на 21 %.

Подставим формулы (2.2, 2.3, 2,4) в (2,6) и увеличим на 21 %.

Таким образом, температура, до которой может нагреться трубопровод, учитывая скорость ветра, находится по формуле (2.8):

, (2.8)

Таким образом, предложенный метод расчета позволяет определить максимальную температуру, до которой может нагреться трубопровод, при худших условиях, когда температура окружающей среды максимальна.

Однако, данная температура может не соответствовать температуре максимально-допустимой классом взрывоопасной зоны. Для того, чтобы стабилизировать температуру нагревателя на уровне ниже предельной температуры допустимой классом взрывоопасной зоны, необходимо выбрать таким образом, чтобы , при этом значение не превышало максимально возможного значения температуры допустимого классом взрывоопасной зоны.

Выразим из формулы (2.8) и подставим вместо максимально-допустимую классом взрывоопасной зоны температуру . По полученной формуле можно определить нормально допустимую мощность нагревательного элемента:

, (2.9)

где - допустимая мощность нагревателя, Вт/м.

Выводы по разделу

• разработана методика расчета стабилизированной конструкции для ИРСН вихревыми токами;

• получена формула для расчета оптимального значения мощности нагревательного элемента и выбора необходимого нагревательного устройства;

• получена формула для расчета максимально возможной температуры нагревателя, по которой может быть осуществлено регулирование температуры в зависимости от требований предъявляемых классом взрывоопасной зоны.