Рис.1 - 1 и 2 - контактное устройство; 3 - контактный стержень; 4- нагревательная спираль; 5 - накопитель (периклаз); 6 - оболочка (трубка) ТЭН;
Таблица 2. Основные характеристики ТЭНов.
|
Условное обозначение нагреваемой среды и нагреваемой оболочки ТЭНа |
Нагреваемая среда |
Характер нагрева |
Удельная Мощность, Вт/см2 не более |
Материал оболочки и температура на оболочке ТЭНа, °C |
Ресурс ТЭНов, ч |
|
P |
Вода, слабые растворы щелочей и кислот |
Нагрев, кипячение |
15 |
Углеродистая сталь |
7000 |
|
C |
Воздух, газы, смеси газов |
Нагрев в спокойном воздухе |
2.2 |
Углеродистая сталь до 450 °C |
11000 |
|
T |
то же |
то же |
5.0 |
Нержавеющая сталь до 750 °C |
11000 |
|
O |
то же |
Нагрев в движущемся воздухе со скоростью не менее 5 м/c |
5.5 |
Углеродистая сталь до 450 °C |
11000 |
|
K |
то же |
то же |
6.5 |
Нержавеющая сталь до 750 °C |
11000 |
|
И |
Жиры, масла |
Нагрев в ваннах и др. емкостях |
3.0 |
Углеродистая сталь до 300 °C |
7000 |
В качестве нагревательных сопротивления ПЭН используют металлическую фольгу, уложенную в виде ткани; полупроводниковые и композиционные материалы. Для ПЭН более перспективны композиционные материалы, состоящие из двух и более компонентов. В композиционных ПЭН нагревательные сопротивления изготовляют из графитизированного или металлического материала в виде токопроводящей ткани. Наиболее распространена углеграфитовая ткань УТТ-2 с допустимой температурой на поверхности до 463 К.
Таблица 3. Коэффициент монтажа Км для электронагревателей сопротивления (в спокойном воздухе).
|
Конструктивное выполнение нагревателя |
Км |
|
Проволока натянутая горизонтально |
1 |
|
Проволока на огнестойком каркасе |
0.7 |
|
Проволочная спираль в воздухе |
0.8…0.9 |
|
Проволочная спираль на огнеупорном держателе |
0.6…0.7 |
|
Нагревательный элемент между двумя слоями огнеупорной изоляции |
0.5…0.6 |
|
Нагревательное сопротивление с герметизированным исполнением (достаточно мощным слоем электрической изоляции, например ТЭНы) |
0.3…0.4 |
Таблица 4. Коэффициент среды Кс для различных условий.
|
Условия работы нагревателя |
Кс |
|
В спокойном воздухе |
1 |
|
В воздушном потоке, скорость которого 1…3…5…10 м/с |
1.1…1.8…2.1…3.1 |
|
В спокойной воде |
2.5 |
|
В потоке жидкости |
3…3.5 |
2. Материалы для электрических нагревателей и требования, предъявляемые к ним
Нагревательное сопротивление-резистивное тело, наиболее ответственный элемент электрического нагревателя, от которого зависит надежность и долговечность его работы в заданном технологическом режиме. Поэтому к материалам для нагревательных элементов предьявляются особые требования, основанные на следующих: достаточные жаростойкость и жаропрочность ( не должны окислятся и терять механических свойств при высоких температурах); большое удельное электрическое сопротивление (должны обеспечивать возможность включения на сетевое напряжение при небольшой длинне нагревателя) и малый температурный коэффициент сопротивления ( должны незначительно изменять сопротивление при изменении температуры ); стабильность размеров и электрических свойств .
В зависимости от температурного режима и технологических условий нагреваемой cреды для изготовления электрических нагревателей используют металлические и неметаллические материалы. Для низко- и средне-температурных установок широко применяют специальные сплавы: хромоникелевые и железохромоникелевые. Наиболее распространены нихромы. В низкотемпературных установках ( до 620 К) электрические нагреватели выполняют из дешевого и доступного материала — углеродистой стали. Неметаллические нагреватели используют нагреваватели используют в высокотемпературных установок. В ЭТУ с рабочей температурой до 1570 К применяют стержневые цилиндрические нагреватели из карборунда, а с температурой до 1870 К — из дисилицида молибдена. В высокотемпературных вакуумных печах с температурой нагрева до 3270 К используют графитовые нагреватели в виде стержней, трубок, пластин и другой формы.
Электрические нагреватели из карборунда, дисилицида и графита обладают высоким сопротивлением и переменными температурным коэффициентом сопротивления. Питание на эти нагреватели подается от понижающего трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением.
В качестве электроизоляционного наполнителя ТЭНов используется периклаз (плавленый оксид магния, который получают в дуговых электропечах, плавкой магнийсодержащих веществ). К данному наполнителю предъявляются следующие требования:
- низкая удельная электропроводимость;
- высокая электрическая прочность;
- химическая нейтральность;
- достаточно высокий коэффициент теплопроводности;
- низкая влагопоглащаемость;
- достаточная сыпучесть.
В качестве оболочек ТЭНов используют тонкостенные металлические трубы ( латунные, алюминиевые, стальные)
Латунь - до 250 °C;
Алюминий - до 350 °C;
Углеродистая сталь - до 450 °C;
Нержавеющая сталь - до 750 °C;
Основным требованием предъявляемым к оболочке является механическая прочность, для защиты нагревательного элемента от механических повреждений.
Для повышения долговечности нагревателей применяют защитные покрытия (хромникелевые и др.). Такие покрития увеличивают ресурс нагревателей в несколько раз при работе в водных растворах.
Для герметизации ТЭНов прииеняют:
- кремнийорганические лаки и эмали;
- эпоксидные герметики;
- битумную мастику;
- легкоплавкое стекло.
3. Расчеты симметричных и неполнофазных режимов трехфазной ЭТУ (электрокалорифера)
Регулировать мощность электрической нагревательной установки мы будем, изменяя схему включения нагревателей.
Рассчитаем варианты регулирования для электрического калорифера.
U=220 ВP=1000 Втt0=20 °С tp=8 °С
3.1 Двойной треугольник
Рис. 3. Двойной треугольник.
а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Так как двойной треугольник содержит шесть нагревательных элементов, то общая мощность равна:
Вт
б) При обрыве линейного провода в точке А (см. рис.3) под напряжением остаются все шесть нагревательных элементов, но четыре из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:
Вт
Полная мощность тогда получается:
Вт
где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;
P1 - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.
в) При обрыве фазы в точках В (см. рис.3) мы получаем, что два нагревателя не включены вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет четыре.
Вт
3.2 Звезда
Рис.4. Звезда
а) При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как - то если напряжение уменьшить в раз, то, мощность, выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:
Вт
б) При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.4) в работе оказываются только два нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:
Вт
3.3Треугольник
Рис.5. Треугольник
а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под
номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Данная схема содержит три нагревательных элемента.
Вт
б) При обрыве линейного провода в точке А (см. рис.5) под напряжением остаются все три нагревательных элементов, но два из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:
Вт
Полная мощность тогда получается:
Вт
где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.; P1 - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.
в) При обрыве фазы в точке В (см. рис. 5) мы получаем, что один нагревателя не включен вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет два.
