10383

Однако надо иметь в виду, что коэффициент полезного использования органического топлива, из которого получается большая часть электрической энергии составляет 12,5…17,5 %, если принимать к.п.д. тепловой электрической станции 25…33 %. а суммарный к.п.д. электронагревательной установки – 50 %. Поэтому при преобразовании химической энергии топлива в электрическую, а затем в тепловую более 80% химической энергии топлива тратится впустую, что недопустимо в виду ограниченности запасов органического топлива. Следовательно, электрообогрев имеет большие перспективы в районах, где отсутствует органическое топливо, но имеется достаточное количество дешевой электроэнергии, получаемой на гидро– и

атомных электростанциях.

10.1. Способы электронагрева Для теплообменных аппаратов выбор экономичного теплоносителя

определяется сравнением расходов топлива, необходимых для получения единицы количества теплоты, передаваемой потребителю. При электрическом обогреве удельный расход топлива в килограммах на единицу продукции определяется по формуле:

к.п.д. тепловой электрической станции; 29300 – теплота сгорания условного топлива, кДж/кг.

Электрическая энергия превращается в тепловую одним из следующих способов:

1)в электродуговых печах;

2)в установках индукционного нагрева;

3)в печах и установках диэлектрического нагрева;

4)в электронагревателях сопротивления.

71

Вэлектродуговых печах электрическая энергия преобразуется в тепловую

вэлектрической дуге. Различают дуговые печи прямого и косвенного действия Во–первых дуга стабилизируется между электродом и нагреваемым материалом, в печах косвенного действия дуга стабилизируется между двумя электродами, теплота, излучаемая столбом дуги, передается нагреваемому материалу. Температура дуги достигает 5000…5500 °С.

Вустановках индукционного нагрева, представляющих собой электротрансформатор, вторичная цепь которого заменена нагреваемой деталью за счет переменного индуктированного в ней тока выделяется теплота.

Вустройствах диэлектрического нагрева выделение теплоты в полупроводниковом или диэлектрическом геле происходит под воздействием токов смешения в быстро изменяющемся электрическом поле. Нагреваемое тело располагают внутри конденсатора, к обкладкам которого подводится напряжение 6…10 кВ и частотой 106…109 Г ц.

Вэлектронагревателях сопротивления электрическая энергия превращается в тепловую в элементах, выполненных из высокоомных жаростойких материалов, (печи сопротивления косвенного действия) или непосредственно в нагреваемой среде – твердом теле или в электропроводной жидкости – при прохождении по этой среде электрического тока (установки прямого нагрева). Эти электрические нагреватели, как наиболее простые по устройству и дешевые, получили наибольшее распространение

10.2. Электронагреватели с жидкостной ванной Эти аппараты представляют собой металлический сосуд с рубашкой,

заполненный маслом или другой жидкостью и смонтированными в нем проводниками нагревателя. К стенке рубашки прикреплены штифты с фарфоровыми изоляторами, на которых крепятся спирали электронагревателя.

Наружу проводники выведены через отверстия, прорезанные в рубашке, с

помощью фарфоровых втулок. Предельная температура нагрева в этих

аппаратах не превышает 250 °С.

72

10.3. Муфельные электропечи Печная камера выполнена из кирпича. Стенки камеры имеют каналы из

жаростойкого материала, в которых проложены проволочные или ленточные спирали. Высокие температуры в таких печах достигаются достаточно быстро.

Они удобны в обслуживании, компакты и найти поэтому широкое применение в промышленности.

10.4. Установки с трубчатыми нагревательными элементами Современные трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы)

представляют собой металлический патрон, обычно трубу из латуни, меди,

углеродистой стали или аустенитной хромоникелевой стали Х18Н10Т, внутри которого запрессована в наполнителе спираль из нихромовой проволоки. В

качестве наполнителя применяют кварцевый песок, окись алюминия

(электрокорунд), плавленую окись магния (периклаз) и другие материалы.

Наполнители служат, одной стороны, элеюроизоляцией, а с другой – проводником тепла.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) изготовляют одно– и

двухспиральными. Спирали выполняют из нихромовой проволоки диаметром

0,2…1,6 мм; их располагают в трубе диаметром 7…19 мм. Между трубой и спиралью засыпают наполнитель в виде порошка одного из указанных выше материалов. Для уплотнения трубу обсаживают на меньший диаметр

(например, с 14 на 11,8 мм). В готовом виде сечение труб может быть круглым,

треугольным или ромбическим. Освоено изготовление ТЭН в виде кабелей-

нагревателей с монолитной жилой из константа и с магнезитовой изоляцией.

Такие кабели закладывают в полы, стены и потолки жилых помещений для обогрева, в покрытия дорог и мостов, взлетных полос аэродромов для защиты их от обледенения. Срок службы ТЭН превышает 5…8 лет.

73

11. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

где τ – время нагрева, сек.

При заданном расходе теплоты потребная мощность электронагревателя с учетом потерь к.п.д η = 0,95 равна

Q'

P = 0,95 ∙ τ , (11.3)

В случае погружения электронагревателя в нагреваемый материал его к.п.д. равен единице.

При известной температуре проводника электрическое сопротивление его можно найти по формуле

Электронагреватели могут работать на постоянном и на переменном токе

(однофазном или трехфазном) при различных напряжениях. Мощность установки можно изменять переключением секций. Различные схемы включения нагревателя показаны на рис. 22...25.

Схема включения нагревателя при постоянном или при однофазном переменном токе показана на рис. 22. Для такой схемы при параллельном

Рис. 22. Рис. 23.

В схемах с трехфазным током нагреватели могут быть соединены, как

показано на рис. 24 и 25 звездой или треугольником.

При соединении звездой мощность нагревателя выразится уравнением

так как Uф = Uп.

75

Из этих формул следует, что отношение мощности нагревателя при соединении его звездой к мощности такого же нагревателя при соединении его треугольником равно

Этим соотношением пользуются для регулирования мощности путем переключения со звезды на треугольник, как показано на рис. 25. Регулировка температуры в электронагревателях осуществляется также:

1.включением реостатов;

2.установкой ступенчатых трансформаторов;

3.включением и выключением электротока.

1.1.Определение сечения и длины проводников электронагревателя Конструкционными материалами для электрических нагревателей служат

тугоплавкие сплавы металлов с большим электрическим сопротивлением

Наибольшее распространение получили следующие сплавы (по ГОСТ 9232–59)

Для передачи необходимого количества теплоты электронагреватель должен иметь определенную поверхность, которая рассчитывается при проектировании при некоторых допущениях. Полагают, что количество теплоты, выделяемой в единицу времени нагревателем, остается практически постоянным на протяжении всего процесса. Поэтому и разность температуры между нагревателем и промежуточным теплоносителем, а также между промежуточным теплоносителем и нагреваемым материалом будет приблизительно постоянной в течение всего процесса. Поэтому для любого

момента времени тепловой баланс можно записать в виде:

αн ∙ Fн(tн – tпр) ∙ dτ = Gпр ∙ cпр ∙ dtпр + K ∙ Fм(tпр – tм) ∙ dτ

– коэффициент теплоотдачи от нагревателя к промежуточному теплоносителю, Вт/м2·град; tн – температура стенки нагревагеля, °С; tпр, Gпр, cпр – температура, масса и удельная теплоемкость промежуточного

где ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом·м; l – длина проводника, м.

Для электронагревателя круглого сечения имеем

77

Для проводника прямоугольного сечения со сторонами b и a = n∙b имеем

Длина электронагревателя соответственно равна

l = Fн/2b(n + 1). (11.18)

В ряде случаев расчеты дают результаты, отличающиеся от действительных величин. Это неизбежно, так как в расчетах не учитываются условия технологии изготовления нагревательных устройств, плотность запрессовки спиралей, коррозия и др. В настоящее время ТЭНы рассчитываются на основе экспериментальных данных по удельной электрической мощности.

11.2. Выбор трубчатых электрических нагревателей для технологических

рекомендуемой и предельно допустимой мощности, отнесенной к единице теплопередающей поверхности

допустимые температуры нагрева трубы электронагревателя,

электроизоляционного наполнителя, спирали внутри нагревателя. При подборе ТЭН рекомендуется руководствоваться данными приложения 13.

В отдельных случаях значения рекомендуемой и предельно допустимой удельной мощности не зависят от материалов труб и наполнителя, но ограничиваются свойствами нагреваемого вещества, недопустимостью его

78

перегрева у поверхности ТЭН. Предельно допустимые значения удельной мощности могут быть оправданы только для кратковременной работы – в

течение нескольких десятков часов. Как правило, следует пользоваться рекомендуемыми значениями удельной мощности нагревателя. При проектировании электронагревательных установок для многолетней работы и установок особой надежности следует уменьшать вдвое рекомендуемые значения удельной мощности. Подбор ТЭН производят в следующем порядке.

По необходимой полезной теплоте и тепловым потерям определяют потребное количество теплоты от нагревателя

В полную теплоту нагрева могут входить составляющие, учитывающие

теплоту плавления, парообразования или теплоту химической реакции.

По заданному времени процесса определяют полную мощность

электронагревателя

В приложениях 13, 14, 15 приведены трубчатые электронагреватели,

выпускаемые заводами.

79

ЛИТЕРАТУРА

1.Андреев, В. А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей / В.А. Андреев. – Л.; Энергия, 1971. – 152 с.

2.Берман, С. С. Расчет теплообменных аппаратов теплообменных турбоустановок / С.С. Берман. – М.; Л..: Госэнергоиздат, 1962. – 240 с.

3.Домашнев, А. Д. Конструирование и расчет химических аппаратов /

А.Д. Домашнев. – М.: Машгиз, 1961. – 624 с.

4.Краснощеков, Е. А. Задачник по теплопередаче / Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1969. – 262 с.

5.Левин, Б. И. Теплообменные аппараты систем теплоснабжения / Б.И. Левин, Е.П. Шубин. – М.; Л.: Энергия, 1965. – 256 с.

6.Исаченко, В. П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.

7.Вукалович, М. П. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара / М.П. Вукалович, С.П. Рывкин, А.А. Александров. – М.: изд–во стандартов, 1969. – 408 с.

8.Богословский В.Н., Новожилов В.И., Кимаков Б.Д., Титов В.П. Отопление и вентиляция. Учеб. для вузов. В 2–х ч. Ч.2 Вентиляция. Под ред. В.Н. Богословского. – М.: Стройиздат, 1976. – 439 с.

9.Внутренние санитарно–технические устройства. В 2–х ч. Под ред. И.Г. Староверова. Изд. 2–е, перераб. и доп. Ч.2 Вентиляция и кондициони–рование воздуха. – М.: Стройиздат, 1977. – 502 с.

10.Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник / В.И. Манюк, Я.И. Каклинский, Э.Б. Хиж и др.е – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1988. – 432 с.

11.Чертов А.Г. Международная Система Единиц Измерений. – 2–е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1967. – 287 с.

12.Голубков Б.Н., Данилов О.Л., Зосимовский Л.В. и др. Теплотех– ническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий. – М..

Энергия, 1979. – 544 с.

13.Свенчанский А.Д., Малышев С.А. Низкотемпературные нагрева–

тельные элементы. – М.: МЭИ, 1964.

80