การคำนวณองค์ประกอบความร้อน

เพื่อกำหนดหนึ่งในพารามิเตอร์หลักของลวดขององค์ประกอบความร้อน - เส้นผ่านศูนย์กลาง d, m (มม.) ใช้วิธีการคำนวณสองวิธี: ตามค่า PF ของพื้นผิวเฉพาะที่อนุญาตและใช้ตารางโหลดปัจจุบัน

กำลังพื้นผิวเฉพาะที่อนุญาต PF= P⁄F,

โดยที่ P คือพลังของฮีตเตอร์ลวด, W;

F = π ∙ d ∙ l — พื้นที่ทำความร้อน, m2; ล. — ความยาวสายไฟ ม.

ตามวิธีแรก

โดยที่ ρd — ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุลวดที่อุณหภูมิจริง, โอห์ม • ม.; U คือแรงดันไฟฟ้าของฮีตเตอร์, V; PF — ค่าที่อนุญาตของพลังงานพื้นผิวเฉพาะสำหรับเครื่องทำความร้อนต่างๆ:

วิธีที่สองใช้ตารางโหลดปัจจุบัน (ดูตารางที่ 1) ที่รวบรวมจากข้อมูลการทดลอง ในการใช้ตารางที่ระบุจำเป็นต้องกำหนดอุณหภูมิความร้อนที่คำนวณได้ Tp ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิจริง (หรือที่อนุญาต) ของตัวนำ Td ตามอัตราส่วน:

Tr = กม ∙ Ks ∙ Td

โดยที่ Km เป็นปัจจัยการติดตั้งโดยคำนึงถึงการเสื่อมสภาพของสภาวะการทำความเย็นของเครื่องทำความร้อนเนื่องจากการก่อสร้าง Kc เป็นปัจจัยแวดล้อม โดยพิจารณาจากการปรับปรุงสภาวะการทำความเย็นของเครื่องทำความร้อนเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมที่มีอากาศอยู่กับที่

สำหรับองค์ประกอบความร้อนที่ทำจากลวดบิดเป็นเกลียว Km = 0.8 … 0.9; เดียวกันกับฐานเซรามิก Km = 0.6 ... 0.7; สำหรับลวดของแผ่นความร้อนและองค์ประกอบความร้อน Km = 0.5 ... 0.6; สำหรับตัวนำจากพื้นไฟฟ้า ดิน และองค์ประกอบความร้อน Km = 0.3 ... 0.4 ค่า Km ที่น้อยกว่าจะสอดคล้องกับฮีตเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า ค่าที่มากกว่าสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า

เมื่อทำงานภายใต้เงื่อนไขอื่นที่ไม่ใช่การพาความร้อนแบบอิสระ Kc = 1.3 … 2.0 จะถูกนำมาใช้สำหรับองค์ประกอบความร้อนในกระแสอากาศ สำหรับธาตุในน้ำนิ่ง Kc = 2.5; ในการไหลของน้ำ — Kc = 3.0 … 3.5

หากตั้งค่าแรงดันไฟฟ้า Uph และกำลัง Pf ของฮีตเตอร์ในอนาคต (ออกแบบ) แล้ว กระแส (ต่อเฟส)

Iph = Pph⁄อัพ

ตามค่าที่คำนวณได้ของกระแสฮีตเตอร์สำหรับอุณหภูมิที่คำนวณได้ที่จำเป็นของการทำความร้อนตามตารางที่ 1 พบเส้นผ่านศูนย์กลางที่ต้องการของลวดนิโครม d และความยาวที่ต้องการของลวด m สำหรับการผลิตฮีตเตอร์ คำนวณ:

โดยที่ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางลวดที่เลือก m; ρd คือความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของตัวนำที่อุณหภูมิความร้อนจริง โอห์ม • ม.

ρd = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (Td-20)],

โดยที่ αр — ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน, 1/อส.

ในการกำหนดพารามิเตอร์ของเกลียวนิโครม ให้ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของวงเลี้ยว D = (6 … 10) ∙ d, ระยะพิทช์ของเกลียว h = (2 … 4) ∙ d,

จำนวนรอบ

ความยาวเกลียว lsp = h ∙ n

เมื่อคำนวณองค์ประกอบความร้อนควรจำไว้ว่าความต้านทานของลวดเกลียวหลังจากกดองค์ประกอบความร้อน

โดยที่ k (y.s) เป็นค่าสัมประสิทธิ์ที่คำนึงถึงการลดลงของความต้านทานของเกลียว ตามข้อมูลการทดลอง k (s) = 1.25 ควรคำนึงถึงด้วยว่ากำลังพื้นผิวเฉพาะของลวดเกลียวมีค่ามากกว่ากำลังพื้นผิวเฉพาะขององค์ประกอบความร้อนแบบท่อ 3.5 ... 5 เท่า

ในการคำนวณภาคปฏิบัติขององค์ประกอบความร้อน ก่อนอื่นให้กำหนดอุณหภูมิของพื้นผิว Tp = ถึง + P ∙ Rt1

ที่ไหน มันคืออุณหภูมิแวดล้อม, ° C; P คือพลังขององค์ประกอบความร้อน W; RT1 — ความต้านทานความร้อนที่ท่อ — อินเตอร์เฟสขนาดกลาง, ОC / W.

จากนั้นกำหนดอุณหภูมิของขดลวด: ช้อนชา = ถึง + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

โดยที่ Rt2 คือความต้านทานความร้อนของผนังท่อ ОC / W; RT3 — ความต้านทานความร้อนของสารตัวเติม, OC / W; Rp1 = 1⁄ (α ∙ F) โดยที่ α คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน W / (m ^ 2 • ОС); F - พื้นที่ของเครื่องทำความร้อน, m2; Rt2 = δ⁄ (λ ∙ F) โดยที่ δ คือความหนาของผนัง m; λ — ค่าการนำความร้อนของผนัง W / (m • ОС)

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับอุปกรณ์ขององค์ประกอบความร้อน โปรดดูที่นี่: องค์ประกอบความร้อน อุปกรณ์ การเลือก การทำงาน การเชื่อมต่อองค์ประกอบความร้อน

ตารางที่ 1 ตารางโหลดปัจจุบัน

ตัวอย่างที่ 1 คำนวณเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าในรูปแบบของเกลียวลวดตาม PF พลังงานพื้นผิวเฉพาะที่อนุญาต

เงื่อนไข.กำลังเครื่องทำความร้อน P = 3.5 กิโลวัตต์; แรงดันไฟฟ้า U = 220 V; วัสดุลวด — นิโครม Х20Н80 (โลหะผสมโครเมียม 20% และนิกเกิล 80%) ดังนั้น ความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของลวด ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ ( — 6) โอห์ม • ม. ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 /ОС; เกลียวเปิดในรูปแบบโลหะอุณหภูมิการทำงานของเกลียวคือ Tsp = 400 ОC, PF= 12 ∙ 10 ^ 4 W / m2 กำหนด d, lp, D, h, n, lp

คำตอบ. ความต้านทานคอยล์: R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3500 = 13.8 โอห์ม

ความต้านทานไฟฟ้าเฉพาะที่ Tsp = 400 OS

ρ400 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (400-20)] = 1.11 ∙ 10 ^ (- 6) โอห์ม • ม.

ค้นหาเส้นผ่านศูนย์กลางของลวด:

จากนิพจน์ R = (ρ ∙ l) ⁄S เราจะได้ l⁄d ^ 2 = (π ∙ R) ⁄ (4 ∙ ρ) ดังนั้นความยาวของเส้นลวด

เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของเกลียวหมุนคือ D = 10 ∙ d = 10 ∙ 0.001 = 0.01 ม. = 10 มม. ระยะพิทช์เกลียว h = 3 ∙ d = 3 ∙ 1 = 3 mm.

จำนวนรอบของเกลียว

ความยาวของเกลียวคือ lsp = h ∙ n = 0.003 ∙ 311 = 0.933 m = 93.3 cm.

ตัวอย่างที่ 2 โครงสร้างคำนวณฮีตเตอร์ความต้านทานของลวดเมื่อกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางลวด d โดยใช้ตารางโหลดปัจจุบัน (ดูตารางที่ 1)

เงื่อนไข. สายไฟฮีตเตอร์ P = 3146 W; แรงดันไฟฟ้า U = 220 V; วัสดุลวด — นิโครม Х20Н80 ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ ( — 6) โอห์ม • ม.; αp = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ℃; เกลียวเปิดที่อยู่ในกระแสอากาศ (Km = 0.85, Kc = 2.0); อุณหภูมิในการทำงานที่อนุญาตของตัวนำ Td = 470 ОС

กำหนดเส้นผ่านศูนย์กลาง d และความยาวของลวด lp

คำตอบ.

Tr = Km ∙ Ks ∙ Td = 0.85 ∙ 2 ∙ 470 OS = 800 OS

การออกแบบฮีตเตอร์ปัจจุบัน I = P⁄U = 3146⁄220 = 14.3 A.

ตามตารางโหลดปัจจุบัน (ดูตารางที่ 1) ที่ Tр = 800 ОС และ I = 14.3 A เราพบเส้นผ่านศูนย์กลางและหน้าตัดของเส้นลวด d = 1.0 มม. และ S = 0.785 มม. 2

ความยาวสายไฟ lp = (R ∙ S) ⁄ρ800,

โดยที่ R = U ^ 2⁄P = 220 ^ 2⁄3146 = 15.3 โอห์ม, ρ800 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (800-20) ] = 1.11 ∙ 10 ^ (- 6) โอห์ม • ม., lp = 15.3 ∙ 0.785 ∙ 10 ^ (- 6) ⁄ (1.11 ∙ 10 ^ (- 6)) = 10.9 ม.

นอกจากนี้ หากจำเป็น คล้ายกับตัวอย่างแรก สามารถกำหนด D, h, n, lsp ได้

ตัวอย่างที่ 3 กำหนดแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตของเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าแบบท่อ (TEN)

เงื่อนไข... ขดลวดตัวทำความร้อนทำจากลวดนิโครมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d = 0.28 มม. และความยาว l = 4.7 ม. ตัวทำความร้อนอยู่ในอากาศนิ่งที่มีอุณหภูมิ 20 °C ลักษณะของนิโครม: ρ20 = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) โอห์ม • ม.; αр = 16 ∙ 10 ^ (- 6) 1 / ° C ความยาวของส่วนที่ใช้งานของตัวเรือนขององค์ประกอบความร้อนคือ La = 40 ซม.

ตัวทำความร้อนเรียบ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก dob = 16 มม. ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน α = 40 W / (m ^ 2 ∙ ° C) ความต้านทานความร้อน: ฟิลเลอร์ RT3 = 0.3 ОС / W, ผนังตัวเรือน Rт2 = 0.002 ОС / W.

กำหนดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถใช้กับองค์ประกอบความร้อนเพื่อให้อุณหภูมิคอยล์ Tsp ไม่เกิน 1,000 ℃

คำตอบ. อุณหภูมิองค์ประกอบความร้อนขององค์ประกอบความร้อน

ช้อนชา = ถึง + P ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3),

โดยที่ มันคืออุณหภูมิอากาศแวดล้อม P คือพลังขององค์ประกอบความร้อน W; RT1 — สัมผัสความต้านทานความร้อนของอินเตอร์เฟสท่อกลาง

พลังขององค์ประกอบความร้อน P = U ^ 2⁄R,

โดยที่ R คือความต้านทานของขดลวดความร้อนดังนั้นเราจึงสามารถเขียน Tsp-To = U ^ 2 / R ∙ (Rt1 + Rt2 + Rt3) ซึ่งเป็นที่มาของแรงดันไฟฟ้าบนองค์ประกอบความร้อน

U = √ ((R ∙ (ช้อนชา-ถึง)) / (Rt1 + Rt2 + Rt3))

ค้นหา R = ρ ∙ (4 ∙ l) ⁄ (π ∙ d ^ 2),

โดยที่ ρ1000 = ρ20 ∙ [1 + αp ∙ (T-20)] = 1.1 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ [1 + 16 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (1,000-20)] = 1.12 ∙ 10 ^ ( — 6) โอห์ม • ม.

จากนั้น R = 1.12 ∙ 10 ^ (- 6) ∙ (4 ∙ 4.7) ⁄ (3.14 ∙ (0.28 ∙ 10 ^ (- 3)) ^ 2) = 85.5 โอห์ม

ความต้านทานความร้อนหน้าสัมผัส RT1 = 1⁄ (α ∙ F),

โดยที่ F คือพื้นที่ของส่วนที่ใช้งานของเปลือกขององค์ประกอบความร้อน F = π ∙ dob ∙ ลา = 3.14 ∙ 0.016 ∙ 0.4 = 0.02 ตร.ม.

ค้นหา Rt1 = 1⁄ (40 ∙ 0.02 = 1.25) OC / W

กำหนดแรงดันไฟฟ้าขององค์ประกอบความร้อน U = √ ((85.5 ∙ (1,000-20)) / (1.25 + 0.002 + 0.3)) = 232.4 V.

หากแรงดันไฟฟ้าที่ระบุบนองค์ประกอบความร้อนคือ 220 V แรงดันไฟฟ้าเกินที่ Tsp = 1,000 OS จะเท่ากับ 5.6% ∙ Un