5. Тепловой расчет нагревательных элементов (тэНов)

В задачу теплового расчета ТЭНов входит определение действительной температуры и удельной (поверхностной) мощности нагревательной спирали и трубки ТЭНа.

По эскизу калорифера с учетом расположения ТЭНов (шахматное или коридорное) определяют живое сечение ка­лорифера F_к и по известной подаче вентилятора определяют скорость воздуха в м/с:

V_в=L_в/F_к

Скорость воздуха должна быть в интервале 6 – 11 м/с. Приняв для всех вариантов температуру воздуха на вы­ходе из калорифера t₂=50°С, определяют среднюю темпера­туру воздуха:

t_ср=(t₁+t₂)/2 ,

где t₁—средняя температура воздуха на входе в калорифер за период работы установки, °С.

Коэффициент теплоотдачи () от ТЭНа к воздуху находится по методике, изложенной в литературе [1], или могут быть использованы следующие формулы.

Коэффициент теплоотдачи () в Вт/(м²С) равен:

=

где N_u—критерий Нуссельта;

—коэффициент теплопроводности воздуха, =0,027, Вт/(м°С);

D_в—внешний диаметр трубки ТЭНа, м.

При коридорном расположении тэНов

N_u=0,21R_e^0,6 (1)

при шахматном расположении ТЭНов

N_u=0,37R_e^0,6 (2)

где R_e —критерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса определяет режим обтекания ТЭНов воздухом и равен:

R_e=(V_a+D_в)/

где V_в скорость воздуха, м/с;

- коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с, ( 18,5 10-6).

Формулы (1) и (2) позволяют определить значение коэф­фициента теплоотдачи, а для ТЭНов третьего и всех после­дующих рядов в пучке. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять за единицу, то в шахматных и коридорные пучках теплоотдача первого ряда составляет около 0,6, а вто­рого—в шахматных пучках около 0,7 и в коридорных—око­ло 0,9. Расчет проводится для ТЭНов первого ряда, работаю­щих в наиболее тяжелых условиях.

Удельное контактное термическое сопротивление ТЭНа в

R_т=

Контактное сопротивление нагревателя длиной 1 м в

Термическое сопротивление одного метра наполнителя вС/Вт

=

где — коэффициент теплопроводности наполнителя=1,5, Вт/(м°С).

х=y=К=

Термическое сопротивление трубки длиной 1 м, м°С/Вт

=,

где —коэффициент теплопроводности стенки, =40, Вт/(м°С).

Общее термическое сопротивление теплопроводности 1 м ТЭНа

Общее термическое сопротивление 1 м нагревателя ТЭНа, м°С/Вт

Общее удельное термическое сопротивление, м°С/Вт

R_т=

D_э—диаметр эквивалентного цилиндра в м.

Диаметр эквивалентного цилиндра определяется из урав­нения

=,

Удельная мощность на поверхности трубки ТЭНа, Вт/м²

W=

Предельно допустимая удельная нагрузка активной поверх­ности ТЭНа выполненного из стальной трубки при скорости движения воздуха не менее 6 м/с 'равна 6 Вт/см². Удельная погонная мощность ТЭНа, Вт/м

W₁=WD_в

Температура спирали тэНа может быть определена из формулы

t_сп=t_тен+W₁r_т

или

t_сп=t_ср+W₁r_т

и не должна превышать максимально допустимое значение для материала нагревателя (Л—1).

Удельная поверхностная мощность нагревательной опира­ли, Вт/м²

W_сп=

где r_т—термическое сопротивление теплопроводности.