книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

прочность) должны проявляться не только в холодном состоянии, но и при высокой рабочей температуре и в условиях повышенной влажности. Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяет

ции при температуре 600 °С составляет не менее 5- ІО7 Ом-см, диэлек­ трическая прочность при тех же условиях — не менее 1,2 кВ/мм. Его высокие изоляционные свойства сохраняются даже при темпера­ туре 1000 °С. Периклаз ни в холодном, ни в горячем состоянии не вступает в соединение с материалами нагревательных сопротивлений, водой или воздухом.

В высокотемпературных нагревателях, предназначенных для элек­ троплит и некоторых радиационных отопительных приборов, в каче­ стве изоляции широко применяются асбест, слюда, фарфор и в каче­ стве заполнителя — кварцевый песок.

Для изоляции открытых нагревательных элементов применяется керамика, служащая одновременно и каркасом для сопротивления.

21.2. УСТРОЙСТВО И ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Способы теплопередачи от нагревательных элементов. Передача тепла от нагревательных элементов к нагреваемым телам или средам осуществляется путем теплопроводности, конвекции, излучения или комбинацией этих способов.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь м е т а л л о в , так же как и элек­ тропроводность, обусловливается свободными электронами. Передача тепла посредством теплопроводности происходит при непосредствен­ ном контакте нагревателя и нагреваемого материала.

В жидких и газообразных средах передача тепла осуществляется в основном путем к о н в е к ц и и , то есть движущимися частицами. Соприкасаясь с нагревателем, частицы получают тепло, переме­

мощью инфракрасных лучей.

Условия теплопередачи в установках косвенного электронагрева играют большую роль и во многом определяют конструктивное испол­ нение нагревательных элементов и их технические данные.

Открытые, закрытые и герметические нагревательные элементы.

Нагревательные элементы отличаются большим разнообразием по конструктивному исполнению. Их устройство определяется условиями работы, назначением, мощностью и другими факторами.

340

к нагреваемым средам осуществляется в основном конвекцией и излу­ чением.

В з а к р ы т о м э л е м е н т е нагревательное сопротивление помещается в защитную оболочку (кожух), которая предохраняет его от механических повреждений и доступа нагреваемого материала, но не препятствует доступу воздуха.

Г е р м е т и ч е с к и й э л е м е н т состоит из нагревательного сопротивления, расположенного внутри массы из электроизоляцион­ ного материала. Такие элементы выполняются как в металлической оболочке, так и без нее. Вследствие того, что к нагревательному сопро­ тивлению нет доступа воздуха, отдача тепла от него к нагреваемому телу или среде обеспечивается в основном посредством теплопровод-

ности. Герметические элементы обладают следующими преимуще­ ствами перед открытыми и закрытыми элементами: нагревательное сопротивление не окисляется и не загрязняется, в результате этого значительно повышается срок службы; хорошие условия теплоотдачи без резких перепадов температуры; нагревательное сопротивление нечувствительно к сотрясениям и защищено от механических повре­ ждений.

Трубчатые нагревательные элементы. Герметические элементы имеют различную конструкцию. Наибольшее применение получили герметические трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Они исполь­ зуются в водонагревателях, парообразователях, калориферах, электрообогреваемых полах, установках лучистого нагрева и т. п.

Трубчатый электронагреватель (ТЭН) состоит из металлической трубки 1 (рис. 159) внутри которой в электроизоляционном напол­ нителе 7 запрессована нихромовая спираль 6. Концы спирали прива­ риваются к выводным контактным стержням 5. В трубчатых нагрева­ телях применяются цельнотянутые трубки с наружным диаметром от

3 4 1

духа используются стальные трубки, а для нагревания воды — трубки из красной меди, латуни или нержавеющей стали Х18Н10Т.

Наполнители трубчатых элементов служат для электрической изоляции спирали от металлической трубки и являются проводниками тепла. В качестве наполнителя применяются электроизоляционные материалы, обладающие достаточной теплопроводностью для передачи тепла от проволочной спирали к внутренним стенкам трубки. К таким материалам относятся кварцевый песок (применяется при рабочей температуре трубки до 450 °С) и периклаз (при температуре выше 450 °С). После засыпки наполнителя трубка опрессовывается. Под большим давлением наполнитель превращается в твердый монолит­

ный материал, надежно фиксирующий и изолирующий спираль внутри трубки.

Опрессованная трубка может быть изогнута для придания нагре­ вателю необходимой формы. В частности, в водонагревателях приме­ няются ТЭНы {/-образной формы (рис. 159). Торцы трубки гермети­ зируются огнеупорным составом и изолирующими пробками 2.

Вследствие герметизации спиралей от доступа воздуха срок службы ТЭНов заводского изготовления составляет более 10 000 ч. Наиболь-

шаяо рабочая температура наружной поверхности ТЭНов около

700 С.

Различными заводами-изготовителями выпускаются трубчатые электронагревательные элементы нескольких типов (ЭТ, ТЭН, НВ, НВП и др.), предназначенные для нагревания воздуха, воды и других жидкостей, пищевых продуктов, металла.

Трубчатые электронагреватели изготовляются на различные мощ­ ности, примерно от 0,1 до 10 кВт в одном элементе, и напряжения 127, 220 и 380 В. Развернутая длина их составляет от 200 до 6000 мм.’ К достоинствам ТЭНов можно отнести их универсальность, надеж­ ность, безопасность обслуживания. В сельском хозяйстве применяют ТЭНы следующих типов: Н В —для нагрева воды, ТЭН-0,1-ь -ь ТЭН-33 — для нагрева воздуха и воды.

Мощность, отдаваемая с единицы поверхности трубки ТЭНа нагре­ ваемой среде, зависит от условий его работы, материалов трубки и наполнителя. В табл. 13 приведены допустимые значения удельной поверхностной мощности АРд для различных условий работы ТЭНов.

Для особо тяжелых условий рекомендуемые мощности следует умень­ шить на 30—40%. у J

Т р у б ч а т ы е э л е к т р о н а г р е в а т е л и д л я к о н ­ к р е т н ы х у с л о в и й р а б о т ы в ы б и р а ю т с я в с л е ­ д у ю щ е м п о р я д к е . По полезному расходу тепла и необходимой мощности Рп определяют расчетную мощность электронагревателя

( 21- 1)

где Tj — к. п. д. установки.

342

Т а б л и ц а 13

Допустимые удельные поверхностные мощности трубчатых электронагревателей (ТЭНов)

Для соответствующих условий работы ТЭНов по табл. 13 выбирают допустимую удельную поверхностную мощность АРд и затем находят необходимую активную поверхность всех нагревателей Рл (м2):

Из каталогов электрооборудования выбирается нагреватель, соот­ ветствующий заданным условиям работы. Активная поверхность одного нагревателя Fal (м2):

В процессе эксплуатации ТЭНов необходимо следить за тем, чтобы корпуса нагревателей были надежно заземлены. Перед установкой нагревателя надо проверить сопротивление его изоляции, которое должно быть не менее 1 МОм в холодном и 0,5 МОм — в горячем со­ стояниях. Если сопротивление изоляции ниже этих норм, следует подсушить ее путем нагрева от посторонних источников тепла или подключением нагревателя на пониженное напряжение.

343

Трубчатые эмалированные сопротивления. При небольшой мощ­ ности нагревательного прибора применяются герметические нагрева­ тельные элементы без металлической оболочки, в которых нагрева­ тельное сопротивление в виде цилиндрической спирали небольшого диаметра запрессовано целиком в массу из электроизоляционного материала (асбоцемент, шамот, асбест и т. и.).

К таким нагревательным элементам относятся проволочные труб­ чатые эмалированные сопротивления типа ПЭ, применяемые, напри­ мер, в электробрудерах. Сопротивление состоит из трубчатого кера­ мического каркаса, на который намотана проволока из константана или нихрома, защищенная предохранительным слоем эмали.

Нагревательные провода и кабели. В тех случаях, когда необхо­ димо получить невысокие температуры нагрева (до 40—50 °С) и когда использование других нагревательных устройств затруднительно или нерационально, применяют специальные нагревательные провода и кабели.

Нагревательный провод представляет собой проволоку из мате­ риала с большим электрическим сопротивлением, покрытую тепло­ стойкой изоляцией. Иногда используется голая оцинкованная сталь­ ная проволока.

Нашей промышленностью выпускаются нагревательные провода типов ПОСХВ и ПОСХП (провод обогревательный сельскохозяйствен­ ный с винилитовой или полиэтиленовой изоляцией). Основные техни­ ческие данные этих проводов приведены в табл. 14.

Нагревательные кабели в отличие от проводов имеют защитную оболочку от механических повреждений и агрессивных сред.

В сельскохозяйственном производстве нагревательные провода применяются для: 1) обогрева почвы и воздуха в парниках и тепли­ цах; 2) обогрева пола в станках для свиноматок и поросят, в цыплят­ никах, коровниках, на доильных площадках и т. п.; 3) подогрева питьевой воды для животных в зимнее время; 4) обогрева трубопрово­

344

дов, например водопроводных вводов в животноводческие помещения,' 5) обогрева насестов для птицы.

Нагревательные элементы в зависимости от напряжения сети и требуемой мощности соединяют последовательно или параллельно, а также «звездой» или «треугольником». Согласно «Правилам эксплуа­ тации электроустановок» при мощности нагревательного устройства более 1 кВт оно должно выполняться трехфазным.

21.3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Целью расчета элементных водонагревателей является определе­ ние мощности нагревательных элементов Р (Вт), сечения s (мм2) и длины I (м) нагревательного провода, а также температуры нагрева поверхности провода тр, при заданных часовой производительности

ния воды от начальной температу­ ры тн до конечной тк,

Для определения сечения проволоки нагревательного элемента принимают для данного материала в соответствии с табл. 12 наиболь­ шую допустимую температуру нагрева ттах. Затем, пользуясь экспе­ риментальными кривыми ту = /( / ) , устанавливающими зависимость допустимой температуры ту от тока /, снятыми при определенных усло­ виях для различных сечений провода (рис. 160), находят по извест­ ным ттах и / ф сечение нагревательного провода s.

Действительная (рабочая) температура нагрева провода тр будет отличаться от ттах вследствие того, что расчетные условия работы нагревательного элемента не соответствуют действительным, а именно: кривые построены для случая, когда голая нагревательная проволока

345

расположена горизонтально и находится в спокойной воздушной среде при температуре 15—20 °С; фактически в элементных водонагре­ вателях используются трубчатые нагреватели, в которых спираль запрессована в кварцевом песке или окиси магния, что ухудшает усло­ вия ее охлаждения. Это обстоятельство учитывается коэффициентом монтажа К м (меньшие значения К м берутся для меньших диаметров

того, что он находится не в воздухе, а в воде, учитывается коэффи­ циентом среды Кс-

Таким образом, действительная температура проволоки нагрева­ тельных элементов будет равна

Длина проволоки нагревательного элемента I (м) определяется из выражения для сопротивления одной фазы гф (Ом)

ІО» рт/

Гф

S

откуда

sUф

(21-9)

ЮѴт/ф ’

где pt удельное электрическое сопротивление проволоки (Ом-м) при действительной температуре нагрева тр, определяемое по формуле:1

346

V.

здесь а — температурный коэффициент сопротивления, принимаемый

п о табл. 12.

Пример. Определить мощность и геометрические размеры нихро-

В случае отсутствия воды в водонагревателе (аварийный режим) температура нагрева спирали составит

1000 =1110 “С.

0,9 =

то есть не достигнет предельно допустимой температуры для нихро­ мовой проволоки и перегорания нагревательного элемента не про­ изойдет.

Удельное сопротивление нихромовой проволоки при тр = 445 °С

pt = p20oC(1 + атр) = 1Д • ІО“« (1+0,00015-445) = 1,1710~« Ом ■м.

Длина проволоки нагревательного элемента одной фазы

sUm 0,5 • 10-« • 220

/==P ^ = U7-10-«-7,2=13,2 М-

При заданных условиях удельный расход электроэнергии на нагрев 1 л воды будет составлять

347

21 .4 . РАСЧЕТ В О З Д У Х О Н А Г Р Е В А Т Е Л Е Й

Основной задачей расчета нагревательных элементов является экономичный выбор сопротивлений по наименьшим затратам активного материала (нагревательного провода). Решение этой задачи сводится к электрическому расчету по определению токов и сопротивлений и

тепловому расчету для определения максимальной температуры на­ грева элементов. п

Процесс нагревания элементов током характеризуется зависи­ мостью температуры перегрева (превышение температуры элемента над температурой окружающей среды) от времени xn =f(t). Эта зависимость согласно теории нагрева однородного тела с некоторыми допущениями аналитически выражается уравнением:

Из соотношения (21-12) видно, что величина установившейся тем­ пературы нагревательного элемента практически зависит от его мощности (так как количество тепла Q, выделяемое током за 1с, равно мощности Р) и условий охлаждения. Температура нагрева т элемента достигнет установившегося значения ту теоретически за время

t — оо, так как в этом случае показательная функция е т в уравне­ нии (21-11) становится равной нулю. Однако практически элемент

допустимую температуру нагрева элементов равной установившейся, то есть Тд = ту.

П р а к т и ч е с к и й р а с ч е т в о з д у х о н а г р е в а т е ­ л е й с п р и н у д и т е л ь н о й в е н т и л я ц и е й ( э л е к т р о ­ к а л о р и ф е р ы ) и л и с е с т е с т в е н н ы м в о з д у х о о б ­ м е н о м сводится к определению мощности Р нагревателя и геоме­ трических размеров нагревательного провода. При этом исходными данными являются количество тепла Q4 (кДж/ч), необходимого для

348

нагревания воздуха и поддержания его температуры (или расходуе­ мого на испарение влаги в сушилке), а также величина фазного напря­ жения сети Uф.

Расчет производится в следующем порядке.

Определяют по формуле (21-6) мощность нагревательной уста­ новки Р (Вт).

К. п. д. установки обычно принимают равным 1; для калорифера, устанавливаемого в отдельном помещении, г| = 0,9.

Величину тока одного элемента находят по формуле:

Р

ными трудностями. Поэтому в практических расчетах ту определяют, пользуясь экспериментальными кривыми ту = /(/), снятыми для различных сечений голого провода (нихром) при горизонтальном его расположении в спокойной воздушной среде с температурой 15—20 °С (рис. 160). Условия, отличные от тех, для которых даны кривые ту = f (/), учитываются соответствующими коэффициентами К в-

теплоотдача будет меньше, а действительная (рабочая) установившаяся температура будет больше

Для проволоки, находящейся в воздушном потоке (электрокало­ риферы), в зависимости от скорости движения воздуха принимают Кв = 1,1 -г- 1,5. Скорость движения воздушного потока для электро­ калориферов определяется в зависимости от назначения обогреваемого объекта и принимается обычно не более 10—15 м/с.

Рабочая температура нагревательного элемента тр, определенная по формуле (21-14), не должна превышать предельно допустимую рабочую температуру тд, указанную в табл. 12. Кроме того, по кон­ структивным соображениям, а также из соображений возможных местных перегревов в закрытых крепежными деталями участках нагревателей предельная температура для воздухонагревателей берется не более 500—600 °С.

Практически тр определяют следующим образом. Для данных тока / 9 и сечения нагревательного провода s по кривым ту —/(/) находят ту. Затем по формуле (21-14) вычисляют тр. Если тр окажется больше предельно допустимой температуры тд или более 600 °С, то берут большее сечение провода и повторяют расчет рабочей темпера­ туры элемента.

Определив рабочую температуру нагревательного элемента, нахо­ дят по формуле (21-10) величину удельного сопротивления мате­ риала рт при этой температуре.

349