ИДЗ / 3 / ИДЗ3

Задание: рассчитать и сконструировать нагревательный элемент для бытового прибора (электроплита, паяльник, фен). Выбрать материал для нагревательного элемента, рассчитать необходимые параметры (диаметр проволоки не должен быть больше 2,5 мм, если получится больше – предложить пути уменьшения диаметра). Написать техническое задание для работника.

Исходные данные:

Исходные данные к заданию представлены в таблице 1.

Решение:

В качестве бытового прибора выбираем проточный водонагреватель (приблизительная мощность 3,5 – 6 кВт). В таких приборах нагревательным элементом является ТЭН – термоэлектрический нагреватель, преобразующий электроэнергию в тепло и имеющий вид изогнутой трубы. Внутри нее находится спираль нагревателя в керамическом или кварцевом наполнителе. Наблюдение за степенью нагрева воды осуществляется через датчик температуры воды на выходе, показания которого выведены на панель управления.

Ток, протекающий через нагревательный элемент:

где − мощность нагревательного элемента [Вт], − рабочее напряжение

[В]

Минимальная площадь сечения проводника нагревательного элемента

:

где − допустимая плотность тока через нагревательный элемент [А/мм2]

Необходимая площадь сечения с учетом коэффициента запаса по мощности :

= ∙ з = 8,84 ∙ 1,5 = 13,26 мм2

где з − коэффициент запаса по мощности (в пределах 1,2 − 2,5).

Диаметр проволоки для нагревательного элемента :

Активное сопротивление проводника нагревательного элемента :

= = 220 = 55,28 Ом3,98

Учитывая требования высокого удельного сопротивления для нагревательного элемента, выбираем фехраль – железо-хромо-алюминиевый сплав марки Х23Ю5Т с удельным сопротивлением при 20 в диапазоне 1,30 − 1,40 мкОм ∙ м. Состав сплава представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Химический состав сплава Х23Ю5Т [2, с. 264]

Сплав обладает высокой жаростойкостью и позволяет применять нагреватели при максимальных рабочих температурах до 1350 для проволок диаметром меньше 3 мм [2, т. 12.32]. Фехралевая спираль является более долговечной, способной выдержать большое количество циклов нагрева – охлаждения, однако сплав более ломкий в сравнении с нихромом.

Рисунок 2. Отношения электрических сопротивлений при разных температурах для сплава Х23Ю5Т. [2, т.12.26]

Рисунок 3. Удельное сопротивление сплава Х23Ю5Т. [2, т. 12.29]

Для расчета удельного электрического сопротивления при рабочей температуре нагревательного элемента используем формулу:

= 0(1 + ( − 0)),

где 0 = 20 ; 0 = 1,35 мкОм ∙ м

Для нахождения температурного коэффициента удельного сопротивления, согласно рисункам 2 и 3, рассчитаем удельное сопротивление для = 500 :

500 = 500 ∙ 0 = 1,036 ∙ 1,35 ∙ 10−6 = 1,399 ∙ 10−6 Ом

20

Средний температурный коэффициент для материала найдем по формуле:

Удельное электрическое сопротивление при рабочей температуре нагревательного элемента = 450 :

450 = 0(1 + ( − 0)) = 1,35 ∙ 10−6(1 + 7,56 ∙ 10−5(450 − 20)) = 1,393 ∙ 10−6 Ом

Длина одной проволоки для нагревательного элемента :

Задание для работника:

Использовать предоставленную фехралевую проволоку – сплав марки Х23Ю5Т, диаметром 2,1 мм, длиной 131,55 м в количестве 4 шт. для изготовления требуемой спирали.