Расчет тэна: Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды онлайн / Калькулятор / Элек.ру

Расчет ТЭНа | HBPro Домашние пивовары

При расчете мощности электронагревательных элементов использованы следующие расчетным данные: масса воды, начальная и конечная (желаемая) температура воды и время, затрачиваемое на нагревание.
Мощность ТЭНа P определяется математическим выражением: P=0,0011m(t_k-t_н)/T, в котором: m — масса нагреваемой воды, t_k и t_н — начальная и конечная температура воды, T — затрачиваемое на ее нагревание время.
Вычисление мощности нагревательного элемента выполняется данным калькулятором без учета тепловых потерь, связанных с конструктивными особенностями емкости, температуры окружающей среды, состоянием греющей поверхности ТЭНа и пр.
Кроме того, следует учесть фактическое напряжение питающей сети, которое может сильно отличаться от номинального значения.
Так, при пониженном напряжении, температура рабочей поверхности будет меньше значения, заявленного изготовителем, следовательно, и времени для нагрева потребуется больше.
Учитывая удельный вес воды составляет 1 г/см³, в поле калькулятора “Масса нагреваемой воды” при вводе данных может быть использовано значение ее объема.
Результат вычисления (P) может быть значением мощности как одного ТЭНа, так и нескольких параллельно соединенных элементов.

Удельная поверхностная мощность ТЭНа P определяется математическим выражением: Q=P/(3,14dL), в котором: P — номинальная потребляемая мощность, L — развернутая длина, d — диаметр оболочки.
Чем меньше удельная плотность, тем более спокойно передается мощность от ТЭНа к нагреваемой жидкости и меньше подгорает.

Сила тока: I=P/U, в котором: P — номинальная потребляемая мощность, U — напряжение в сети.
По расчитанной силе тока подбираются соответствующие провода, разъемы, устройства автоматического отключения и защиты.

ТЭН. Выбор, расчет, обозначение, характеристики нагревательных элементов ТЭНов.

1. Нагревательные элементы

Под нагревательным элементом понимают нагревательное сопротивление, его изоляцию, каркас и защитную оболочку.

Нагреватели подразделяются на открытые, защищенные и герметические. Открытые передают тепло излучением и конвекцией. Нагреватели защищенного типа и герметического исполнения передают тепло в основном конвекцией.

Наиболее широко распространены трубчатые электронагревательные элементы — ТЭНы, которые можно устанавливать почти во все нагревательные приборы. Однако во многих низкотемпературных приборах используют открытые спирали, защищенные самой конструкцией прибора, как более простые и дешевые.

Заводы серийно выпускают трубчатые электронагреватели диаметром трубки 9—16 мм, при толщине стенки — 0,8—1,5 мм и максимальной длине 6 м.

Нагревательная спираль, как правило, изготавливается из поволоки сплава Х20 Н80 и Х15 Н60 диаметром 0,2—1,6 мм.

Рис. 1. Трубчатый электронагреватель: 1 — спираль; 2 — теплоизоляционный материал; 3 — металлическая трубка; 4 — токоведущий стержень; 5 — изоляционная втулка

Внешняя трубка выполняется из стали Ст10 или 1 Х18 Н10 Т, меди, латуни, алюминия. При изготовлении ТЭНы заполняют периклазом (плавленая окись магния), затем обжимают и герметизируют. Трубке нагревателя можно придать любую желаемую форму при условии, что изгиб делается в холодном состоянии после отжига трубки и радиус изгиба не меньше 2,5 диаметров трубки. Спираль при этом сохраняет центральное положение в трубке.

Срок службы ТЭНов 10000 часов, гарантийный срок 3000 часов.

1.1. ТЭНы промышленного назначения, ГОСТ 13268—88

Рис. 2. Примеры конфигурации ТЭНов промышленного назначения

1.2. Обозначение ТЭНов по ГОСТ 13268—88 (для промышленного оборудования)

Пример обозначения ТЭНа: ТЭН 170 С 13/0,4 S 220

170 — развернутая длина ТЭН по трубе: от 30 до 450 см; С — тип контактного стержня (длина), см. табл.

13 — диаметр ТЭН, мм: 13; 10; 8; 8,5; 7,4; 6,5;

0,4 — потребляемая мощность: от 0,2 до 6,3 кВт; S — нагреваемая среда;

220 — напряжение: от 12 до 600 В.

1.3. ТЭНы бытового назначения ГОСТ 19108—81

Рис. 3 Примеры конфигурации ТЭНов бытового назначения

	ТЭНы для электрочайников. Мощность: 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: латунь, нержавеющая сталь, ст.10 с покрытиями
	ТЭНы для электросамоваров. Мощность: 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: латунь, нержавеющая сталь, ст.10 с покрытиями
	ТЭНы для электроутюгов. Мощность: 1,0 кВт. Материал оболочки: ст.10, алюминий
	Блок ТЭНов для электромаслянных радиаторов. Мощность: 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 кВт. Материал оболочки: ст.10
	ТЭНы для электроплиток. Мощность: 1,0 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь
	ТЭНы для электрогриля. Мощность: 1,5 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь
	ТЭНы для электроростера. Мощность: 0,8 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь
	ТЭНы для электровафельниц. Мощность: 0,5 кВт. Материал оболочки: нержавеющая сталь

Таблица 1.1. Обозначение ТЭНов по ГОСТ 19108—81 (для бытовых электроприборов)

Таблица 1.2. Контактная часть ТЭНа

Таблица 1.3. Крепежная арматура ТЭНов

Таблица 1.4. Трубчатые электронагреватели для торгово-технологического оборудования

2. Выбор спирали нагревательного элемента

Зная температуру и мощность спирали, размеры проволоки можно подобрать из табл. 2.1.

Таблица 2.1. Выбор нихромовой проволоки в зависимости от температуры и мощности

Расчет нагрева воды ТЭНом и электричеством

Определение технических параметров приборов и расчёт нагрева воды – мощности нагревателя, змеевика, количества тепла и расхода энергии для нагрева воды – зависит от типа устройства электроводонагревателей, которые бывают накопительными и проточными.

Содержание статьи

Общие данные, необходимые для вычислений

Чем мощнее электрообогреватель, тем быстрее он подогревает заданное количество воды. Поэтому приборы по этому параметру подбирается в соответствии с задачами, необходимым объёмом и допустимым временем ожидания. Так, например, нагрев до 60°С  15 литров с нагревателем в 1,5 кВт займёт около полутора часов. Однако для больших объёмов (например, для наполнения 100-литровой ванны) при разумном времени ожидания (до 3 часов) для доведения жидкости до комфортной температуры понадобится устройство на 3 кВт мощнее.

Для полноценного вычисления расчётной мощности  необходимо учесть ряд параметров:

1. Рабочий ресурс бытовой электросети.
   Проблема «выбивания пробок» особенно актуально стоит в домах вторичного жилфонда. Некоторые жильцы, столкнувшись с ней (например, при установке электрических радиаторов), решали вопрос добавлением отдельного кабеля, усилением проводки. Однако более универсальный рецепт – покупка водонагревателя со средним или низким энергопотреблением (чаще это приборы накопительного типа). Разница между количеством киловатт бытовой электросети и совокупной мощностью всех домашних электроприборов даст значение оптимальной мощности водонагревателя, к которому нужно стремиться.
2. Соотношение мощности ТЭНа (нагревательного элемента) и объёма бака.
   Параметр, более важный для устройств накопительного типа, в которых вода расходуется постепенно, и критичной становится скорость её остывания. Чтобы 1-киловаттный водонагреватель не покупали со 100-литровыми баками, производители приводят ориентировочную таблицу, где 1-киловаттный прибор предназначен на 15 литров, 1,5 кВт – на 50, 2 кВт – на 50-100, а 5 кВт – на 200-литровый бак.
3. Скорость водорасхода в минуту.
   Параметр имеет большее значение для проточных водонагревателей. В обиходе мощностные показатели такого нагревательного устройства (с учётом максимальной ресурсозатратности) рассчитываютсяпутём умножения на два количества литров ворорасхода в минуту. То есть, если на проточное мытьё посуды в среднем тратится 4 л/мин., то ТЭН должен быть 8 кВт. Если при приёме душа расходуется 8 л/мин., то необходим 16-киловаттныйТЭН. Вычисления усложняет то, что в квартире используются сразу 2 (а иногда и 3) точки водозабора. В этом случае, рекомендуется в вычислениях получившуюся величину умножать в полтора раза.

Накопительные водонагреватели (бойлеры)

Без физико-математических формул бытовой расчёт описывается следующим образом: за 1 час 1 кВт нагревает 860 литров на 1 К. Для более точного определения времени нагревания, мощностных характеристик, объёма используется универсальная формула, из которой потом выводятся остальные результаты:

Эта формула состоит из нескольких и отражает целый ряд параметров, учитывая при этом фактор теплопотерь. (При малых мощностных характеристиках и большом объёме этот фактор становится более существенным, однако в бытовых нагревателях этим учётным значением чаще пренебрегают):

N_full – мощностные характеристики нагревательного элемента,

Q_c – теплопотери водонагревательной ёмкости.

1. c= Q/m*(tк-tн)
   • С – удельная теплоёмкость,
   • Q – количество теплоты,
   • m – масса в килограммах (либо объём в литрах),
   • tк  и tн  (в °С) – конечная и начальная температуры.
2. N=Q/t
   • N – мощностные характеристики нагрева.
   • t — время нагревания в секундах.
3. N = N_full — (1000/24)*Q_c

Упрощенные формулы с постоянным коэффициентом:

• Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды нужной температуры:
  W= 0,00117*V*(tк-tн)/T
• Определение времени,  необходимого для нагревания воды в водонагревателе:
  T= 0,00117*V*(tк-tн)/W

Составляющие формул:

• W (в кВТ) –  мощностная характеристика ТЭНов (нагревательного элемента),
• Т (в часах) – время нагрева воды,
• V (в литрах) – объем бака,
• tк  и tн  (в °С) – конечная и начальная температуры (конечная – обычно 60°C).

Часто объём приравнивают к массе (m). Тогда определение мощности ТЭНа будет производиться по формуле: W= 0,00117*m*(tк-tн)/T. Формулы считаются упрощёнными, ещё и потому что в них не учитывается:

• фактическая мощность электросети,
• температура окружающей среды,
• конструктивные особенности и потенциальные теплопотери бака,
• рекомендации некоторых производителей, относительно tн (порядка 5-8 °С летом и 15-18 °С – зимой).

При покупке устройства надо принимать во вниание, что относительно низкие мощностные характеристики накопительных водонагревателей по сравнению с проточными ещё не гарантируют финансовую экономию. Накопительные меньше «забирают», но из-за того, что работают дольше, больше и расходуют. Для финансовой экономии более надёжной стратегией будет общее снижение водопотребления за счёт установки различного вида экономителей (http://water-save.com/) и строгий учёт водорасхода.

Проточные водонагреватели

В расчете количества тепла для нагрева проточной воды надо учитывать разницу в стандартах напряжения России (220 В) и Европы (230 В), так как значительная часть электроводонагревателей изготовляется западноевропейскими компаниями. Благодаря этой разнице номинальный показатель в 10 кВт в таком приборе при подключении к российской сети в 220В будет на 8,5% меньше – 9,15.

Максимальный гидропоток V (в литрах за минуту) с заданными мощностными характеристиками W (в киловаттах) рассчитывается по формуле: V= 14,3*(W/t₂-t₁), в которой t₁ и t₂– температуры на входе в нагреватель и в результате подогрева соответственно.

Ориентировочные мощностные характеристики электроводонагревателей применительно к бытовым потребностям (в киловаттах):

• 4−6 –  только для мытья рук и посуды,
• 6−8 – для принятия душа,
• 10−15 – для мойки и душа,
• 15−20 – для полного водоснабжения квартиры или частного дома.

Выбор затрудняет то, что нагреватели выпускаются в двух вариантах подключения: к однофазной (220 В) и трёхфазной (380 В) сети. Однако нагреватели для однофазной сети, как правило, не выпускаются выше 10 киловатт.

Вычисления для бассейнов

Расчет нагрева воды в бассейне складывается из вычисления параметров электронагревателя и объёма, который необходимо подогреть. В таблице указано приблизительное время в часах, за которое температура поднимается с 10 °С до 28 °С. При этом существенную роль в конечных вычислениях играет площадь водяного «зеркала», температура окружающей среды, степень открытости/ закрытости места расположения бассейна.

Читайте далее

Оставьте комментарий и вступите в дискуссию

Рекомендации по подбору ТЭНов для различных сред

Нагреваемая среда — воздух

Для нагрева воздуха используется два типа ТЭНов:

• ТЭНы для «спокойного» воздуха. Маркировка таких ТЭНов по ГОСТ 13268-88 – «S» и «T». Удельная мощность на единицу поверхности соответственно 2,2 ватт/кв. см и 5,0 ватт/кв. см. Максимальная температура на поверхности – 450 и 650 градусов. Съем тепла с поверхности нагревателя происходит за счет конвекции «спокойного» воздуха, контактирующего с нагретой поверхностью.
• ТЭНы для «подвижного» воздуха, еще их называют «обдуваемые», с маркировкой «О» и «К», удельной мощностью 5,5 Вт/кв. см и 6,5 Вт/кв. см. Съем тепла с поверхности нагревателя осуществляется подвижной струей воздуха, создаваемой, например вентилятором и движется эта струя со скоростью не менее 6 м/с (по ГОСТ). Естественно, что «обдуваемый» ТЭН по сравнению со «спокойным», имея одинаковые характеристики (размеры, материал, напряжение и пр.), может иметь значительно большую мощность и генерировать на своей поверхности больше тепла. При этом «обдуваемый» ТЭН не перегревается, т.к. избыток тепла интенсивно отбирается движущимся воздухом.

Когда речь идет об обогреве обычных помещений, в которых температуру воздуха нужно поднять до уровня 20-25 градусов, выбор ТЭНов не представляет затруднений: из таблицы ТЭНов на сайте выбирается ТЭН нужного типоразмера, мощности и напряжения, количество ТЭНов определятся общей необходимой мощностью из расчета (в среднем) 1 кВт на 10-12 кв. м площади помещения при стандартной высоте потолка 3 м и общепринятой утепленности здания. При этом температура ТЭНа повышается незначительно, т.е. это собственная температура ТЭНа плюс 20-30 градусов. Иначе обстоит дело, когда температуру воздуха нужно поднять до 150, 200 и даже 250 градусов. Это происходит в сушилках, печках-пекарнях, окрасочных камерах. В этом случае общая температура ТЭНа будет очень высокая: собственная температура ТЭНа плюс 250 градусов окружающего воздуха. Такая температура может неблагоприятно сказаться на «здоровье» ТЭНа – он может попросту перегреться.

Рассмотрим конкретный пример. Допустим, в камере для порошковой окраски изделий необходимо создать температуру +200 градусов. Опуская детали расчета, используем для этой цели ТЭН 140 В13/2,5 Т 220 (трубка длиной 140см, диаметром 13мм, мощностью 2,5кВт, из нержавеющей стали). Этот ТЭН имеет удельную мощность около 4,8 Вт/кв. см, а собственную температуру около 600 градусов. В рабочем режиме температура ТЭНа достигает 600+200=800 градусов, что превышает максимально допустимую температуру ТЭНа. А если учесть «разрешенные» скачки напряжения (+10%), разрешенное отклонение по мощности ТЭНа (+5%), то общая температура ТЭНа может быть еще выше. Долговечность такого ТЭНа становится под вопросом.

Возьмем ТЭН 140 В13/2,0 Т 220 (такой же, как и предыдущий, только мощностью ниже -2,0 кВт вместо 2,5 кВт). У этого ТЭНа удельная мощность равна 3,86 Вт/кв. см, собственная температура – примерно 480 градусов, суммарная температура ТЭНа около 680 градусов, что уже не так критично.

Очевидно, первый ТЭН, как более мощный, разогреет камеру быстрее, количество этих ТЭНов, исходя из необходимой общей мощности для разогрева камеры до нужной температуры, потребуется меньше. Но в конечном итоге эти «плюсы» могут перекрыться «минусами»: более мощные, но перегретые ТЭНы будут чаще выходить из строя, а это потребует более частой остановки окрасочной камеры и сборки-разборки ТЭНовых узлов.

ВЫВОД: при подборе воздушных ТЭНов необходимо увязывать такие параметры, как:

• размеры и материал трубки ТЭНа;
• мощность и собственную температуру ТЭНа;
• эксплуатационные условия — температуру воздуха, качество обдува и др.

Нагреваемая среда – вода

Обозначение этих ТЭНов по ГОСТ 13268-88:

• «Р» — материал трубки ТЭНа – чёрная сталь;
• «J» — материал трубки ТЭНа – нержавеющая сталь.

Допускаемая удельная мощность (Р уд.доп.) на поверхности ТЭНа – 15 Ватт/кв.см. Этот показатель определяет максимально допустимую мощность ТЭНа. При подборе водяных ТЭНов необходимо соблюдать следующие правила:

• Эксплуатируя ТЭН, необходимо предпринять все меры для того, чтобы предотвратить образование на его поверхности «накипи» — это отложения на трубке ТЭНа различных примесей, присутствующих в жидкости. Примеси присутствуют, например, в грязной или жёсткой воде, они обволакивают трубку ТЭНа в виде плёнки различной толщины. Чем толще такая пленка, тем хуже теплопередача от ТЭНа к жидкости, и в какой-то момент ТЭН может перегреться и выйти из строя. Особенно опасна в этом смысле вода, добываемая из артезианских скважин. Поэтому с самого начала эксплуатации ТЭНов необходимо озаботиться установкой всевозможных фильтров и умягчителей жидкости, а также производить профилактическую чистку ТЭНов и резервуаров.
• Активная часть ТЭНа должна быть полностью погружена в жидкость. Напомним, что активная длина ТЭНа равна полной его длине за минусом длины «зоны непрогрева» ТЭНа (это величина, на которую контактная шпилька с торца входит внутрь ТЭНа). Большинство водяных ТЭНов имеют зоны непрогрева А=40 мм, и В=65 мм, поэтому такие ТЭНы должны быть погружены в жидкость практически полностью. В случае применения ТЭНов с другими зонами непрогрева (С=100 мм; D=125 мм; Е=160 мм; F=250 мм; G=400 мм и т.д.) уровень жидкости должен быть выше зоны непрогрева на 20 – 30 мм.
• Иногда по технологическим причинам нагреваемую жидкость необходимо с некоторой периодичностью сливать из резервуара. В этом случае ТЭНы оголяются и из водной среды переходят в воздушную, т.е. работают в режиме смены сред «вода-воздух» (конечно, при сливе жидкости ТЭНы отключают). В таких случая не рекомендуется применять ТЭНы из черной стали, т.к при нагреве, остывании и смене сред черная сталь начинает интенсивно корродировать (ржаветь) и быстро разрушается. А, например, на нержавеющую сталь такие условия пагубного воздействия не оказывают.
• Для установки ТЭНа в резервуаре и его герметизации (уплотнительная прокладка) на торцах ТЭНа закрепляют щтуцера – втулки с резьбой и фланцем под прокладку. Закрепление штуцера на торце ТЭНа производится разными способами. Один из них – опрессовка штуцера специальными пресс-ножницами. Этот способ создаёт прочное и достаточно герметичное соединение штуцера с трубкой ТЭНа, которое позволяет использовать ТЭН при нагреве жидкости в резервуарах с внутренним давлением не более 0,25 мПа ( 2,5 атм.). Т.е в обычных системах отопления, в обычных нагревательных резервуарах ТЭНы с опрессованными штуцерами используются очень широко.

Если же давление в резервуаре превышает 2,5 атм. (например, в парогенераторах), опрессовка штуцера уже не дает достаточной герметичности, и штуцер необходимо либо припаять, либо приварить к трубке ТЭНа. Об этом нужно помнить при заказе ТЭНа, иначе штуцер будет «пропускать» жидкость по трубке ТЭНа, что в конечном итоге выведет его из строя.

В остальном же выбор ТЭНа не должен вызвать затруднений: по таблице на сайте выбирайте мощность, напряжение, длину и диаметр трубки ТЭНа, её материал и форму, необходимые штуцер и контактную часть.

Выбор мощности тэна для водонагревателя

ТЭНы справочная информация — kiloten.ru

Рекомендации по эксплуатации ТЭН

1. Подготовка электронагревателей к монтажу

Перед монтажом трубчатых электронагревателей необходимо:

1.1. Удалить с оболочки антикоррозионную смазку.

1.2. Очистить поверхность изоляторов и контактных стержней.

1.3. Проверить сопротивление изоляции в холодном состоянии. При падении сопротивления изоляции ниже 0,5 МОм, ТЭН следует просушить при температуре от +120 до +150°С в течение 4-6 часов. Допускается сушка нагревателей путем подключения их на пониженное напряжение или последовательно соединение попарно или по несколько штук.

2. Монтаж электронагревателей

 2.1. Монтаж электронагревателей к нагреваемому устройству необходимо осуществлять с помощью крепежной арматуры (штуцеров, зажимов, хомутов, кронштейнов, стяжек, скоб). 

2.2. Не допускается крепление нагревателей за контактные стержни.

2.3. При монтаже следует учитывать, что электронагреватели при работе не должны соприкасаться друг с другом, минимально допустимое расстояние между электронагревателями – 5 мм.

2.4. Монтаж электронагревателей работающих в жидких средах осуществляется таким образом, чтобы активная часть нагревателя полностью находилась в жидкости.

2.5. Все токоведущие части следует защитить от случайного прикосновения и от попадания влаги.

2.6. Корпус каждого нагревателя следует надежно заземлить.

2.7. С целью оперативного выявления выхода из строя любого нагревателя, помещенного в агрегат, желательно подключить нагреватели к сети через индивидуальные плавкие вставки, автоматические выключатели, термопредохранители (устройства защитного отключения) для исключения поражения электрическим током при неисправности (нарушении) оболочки ТЭН.

2.8. Все монтажные и демонтажные работы необходимо производить при снятом (отключенном) напряжении.

2.9.При эксплуатации необходимо следить за состоянием контактных стержней и токоподводящих проводов, не допуская ослабления соединений.

3.0.Подтягивать контактные гайки следует осторожно, не допуская проворачивания контактных стержней в корпусе ТЭН.

3.5.Попадание влаги на контактные выводы не допускается.

3.6.Контактные выводы должны хорошо омываться естественным или искусственным потоком холодного воздуха. Высокая температура в зоне герметика торцов нагревателя (свыше 150°С ) снижает срок службы.

3.7.Активная часть ТЭН должна полностью располагаться в рабочей зоне.

3.8.При эксплуатации ТЭН в жидких средах уровень жидкости должен постоянно находиться выше границы активной части нагревателя, а оболочка ТЭН должна периодически очищаться от накипи.

3.9.При нагревании твердых тел (деталей штампов, пресс-форм, литейных форм) должен быть обеспечен надежный тепловой контакт оболочки электронагревателя с нагреваемой средой.

4. Условия транспортировки и хранения

 4.1.Транспортирование электронагревателей допускается всеми видами транспорта при условии защиты от влаги и механических повреждений. 

4.2.Хранение ТЭН должно осуществляться в отапливаемых и вентилируемых помещениях. Температура окружающего воздуха – от +5 до +40°С . Среднее значение относительной влажности – до 65% при +20°С.

5. Особые условия

 5.1.Требующуюся дополнительную информацию о монтаже и эксплуатации электронагревателей можно получить у специалистов нашего предприятия. 

5.2.Гарантийные обязательства изготовителя не распространяются на ТЭНы, монтаж и эксплуатация которых производились без соблюдения требований настоящей инструкции.

Расчет мощности трубчатого ТЭНа водонагревателя

Калькулятор расчета мощности трубчатого ТЭНа

5 (100%) голосов: 1

Это логично, что все покупатели, приобретая электрический водонагреватель, хотят, чтобы устройство за минимальный срок доводило необходимый объём воды до нужной температуры. Вне зависимости от разновидности прибора – проточного либо накопительного – скорость нагрева зависит от его мощностных параметров. Тут и появляются основные вопросы: какое оборудование выбрать? Будет ли достаточно выделенных на квартиру либо дом киловатт для функционирования? Какой бойлер лучше подойдёт, чтобы и воды хватало, и нагрузка на сеть была нормальной?

Производители предлагают такую шкалу соотношения мощности трубчатого электронагревателя и объёма бака:

• 1кВт – 15 л;
• 1,5 кВт – до 50 л;
• 2 кВт – до 100 л;
• более 5 кВт – до 200 л.

Мощность трубчатого электронагревателя (ТЭНа) зависит от его параметров. Его основная функция заключается в нагреве воды в бытовом водонагревателе. Получается, что чем выше мощность, тем быстрее будет повышаться температура жидкости. Допустим, для нагрева 15 литров до 60 °С прибору с мощностными параметрами 1,5 кВт понадобится примерно полтора часа. Данного объёма будет достаточно, допустим, на один цикл разовой работы стиральной и посудомоечной машин. Для принятия душа потребуется примерно 100 литров воды. Безусловно, до 60 °С воду греть не нужно.

Однако даже для нагрева её до оптимальной температуры понадобится устройство в 3 кВт и примерно три часа. По-другому говоря, чтобы решать разные бытовые задачи, требуются водонагреватели с различными параметрами. Логично выбирать универсальные варианты.

Лучше использовать калькулятор расчёта мощности трубчатого ТЭНа. Способ выбора заключается в проверке удельной поверхностной нагрузки выбранного нагревателя (должна не превышать максимально допустимую для определённой среды). Ещё один параметр – технологическая возможность производителя (соотношение длины – диаметра – мощности – напряжения) выполнить трубчатый нагреватель по указанным значениям вследствие ограничений используемой нихромовой проволоки либо ограничений присутствующего устройства.

Просто вводите данные в калькулятор и быстро проводите расчёт мощности трубчатого ТЭНа водонагревателя.

Если вам помог калькулятор, то добавьте его в закладки, чтобы не потерять! Сочетание клавиш CTRL+D вам в этом поможет.

Расчет нагревательного элемента

дюймов

.Конструкция змеевика нагревателя

| Тутко-Фарнам

Основные характеристики

Мощность
При разработке нестандартного нагревательного элемента с открытой спиралью при выборе оптимальной (ых) змеевика (ей) для конкретного применения необходимо учитывать несколько факторов. Во-первых, необходимо определить мощность, напряжение и сопротивление для каждой катушки нагревателя. Обычно напряжение в сети указывается заказчиком и / или конечным пользователем. Общая мощность рассчитывается с использованием количества воздуха (кубических футов в минуту) и желаемого повышения температуры (∆T).(W = SCFM ∙ ∆T / 3) Мощность каждой катушки — это общая мощность, деленная на количество катушек в цепи. В большинстве нагревателей используются одинаковые катушки по всей цепи, чтобы обеспечить балансировку нагрузки.

Напряжение
Напряжение на каждой катушке определяется используемой схемой. Однофазный нагреватель «видит» полное линейное напряжение, если некоторые из катушек не включены последовательно. Трехфазный нагреватель то же самое, если он подключен по схеме треугольника. Схема «звезда» будет «видеть» только 57.7% от полного линейного напряжения на каждой ноге. Если на ножках последовательно соединены две катушки, каждая «видит» напряжение будет составлять половину напряжения на ножке.

Сопротивление
Сопротивление рассчитывается по закону Ома (R = V ² / Вт). Результат — _{рэнд в горячем виде} . Но R _{в горячем состоянии} — это сопротивление проволоки в горячем состоянии. Сопротивление увеличивается с повышением температуры, поэтому необходимо произвести компенсацию, чтобы получить холодный R . R _{холодный} — сопротивление при комнатной температуре.Различные сплавы имеют разные температурные коэффициенты (T.F.) от горячего до холодного. Обычно мы используем T.F. от -3% или -5% до значения R _{в холодном состоянии} от R _{в горячем состоянии} в зависимости от сплава. Например, нагреватель мощностью 1000 Вт на 120 В будет иметь сопротивление R _hot сопротивлением 14,4 Ом. (120 В, ² /1000 Вт = 14,4 Ом) Использование -5% Т.Ф. приведет к R _{, холодному} сопротивлению 13,68 Ом. (14,4 Ом x 0,95 = 13,68 Ом)

Подробные характеристики и геометрия катушки

Сплав
Следующее, что нужно определить, — какой сплав использовать для проволоки сопротивления.Каждый сплав имеет разные свойства, которые необходимо учитывать для каждого применения. Некоторые сплавы прочнее при высоких температурах, некоторые лучше сопротивляются окислению при высоких температурах, а некоторые обладают немагнитными свойствами.

Размеры
Теперь разработчик змеевика должен установить змеевик на раму нагревателя, которую он будет использовать. Это позволяет ему рассчитать, какой длины должна быть каждая катушка, и это называется длиной растяжения (S.L.). Катушка обычно выходит из намоточной машины с полностью «закрытой» катушкой, при этом каждый виток свернутой проволоки соприкасается друг с другом.Когда катушка растягивается, она раскрывается, так что обертки не соприкасаются. Величина раскрытия называется коэффициентом растяжения (S.R. = длина растяжения / длина в закрытом состоянии). Коэффициент растяжения — это геометрический шаг от одного витка витка до соседнего, выраженный в единицах диаметра провода. Замкнутый змеевик (не растянутый) имеет С. 1,00. S.R. 2,00 имеет промежуток между витками (S.B.T.), равный одному диаметру проволоки. Правильно спроектированный змеевик будет иметь коэффициент растяжения между минимальным и максимальным значениями, необходимыми для этого типа нагревателя, обычно между 2.5 и 4.0. Это позволяет воздуху циркулировать вокруг проволоки для лучшей теплопередачи.

I.D. «кольцевых» втулок, используемых для поддержки змеевика, например, в канальном нагревателе, определяет максимальный наружный диаметр. для катушки. О. контролируется указанием подходящей оправки, на которую наматывается катушка.

Калибр провода
Выбранный калибр провода имеет еще больше свойств, которые следует учитывать, например, «чем тоньше провод, тем выше сопротивление», измеряемое в Ом / фут.Использование более тонкой проволоки увеличивает удельную мощность (Вт / дюйм ² ) для заданного наружного диаметра. Отношение оправки к проволоке (A / W) будет больше при использовании более тонкой проволоки. Если соотношение A / W будет слишком большим, змеевик будет слишком хрупким и провиснет. Если он слишком маленький, змеевик будет слишком жестким, чтобы его можно было растянуть, и его будет труднее наматывать на раму нагревателя.

Мы произвели тысячи конструкций нагревателей с открытым змеевиком, используемых в широком спектре приложений и отраслей по всему миру. Свяжитесь с нами по поводу вашего следующего проекта и узнайте, что Tutco-Farnam может произвести для вас.

.

Руководство по проектированию элементов ТЕС / Пельтье

Контроллеры ТЕС используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые передают тепло от одной стороны к другой в зависимости от направления электрического тока. Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В данном руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как разработать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров ТЕС и элементов Пельтье.При разработке термоэлектрических устройств охлаждение является критической частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по дизайну.

TEC Controller Обзор продукта

Содержание

Проектирование полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей. Однако для более простой системы не следует теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки проектных параметров с некоторыми упрощениями для нового приложения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом мы проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, рассчитываем пример приложения. Мы обрабатываем систему одноступенчатым элементом Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их сложнее проектировать.

Консультации по сложным тепловым расчетам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования. Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения.Сюда входит моделирование, проектирование, механическое строительство, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Видео о термоэлектрическом охлаждении

Это видео объясняет основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и обогрев используется для различных целей, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности (стабильность <0.01 ° C). Контроллер TEC - источник тока для элемента Пельтье - в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без каких-либо механических изменений.

При работе с элементами Пельтье существуют температурные пределы. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 ° C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и уплотнения.Другой предел — максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В обычных приложениях разница около 50 К может быть реализована с помощью одноступенчатого элемента.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова поднимется при увеличении подачи тока. Это происходит из-за рассеяния мощности (I ² R) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I _max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

• Контроллер ТЕС
• Элемент Пельтье
• Радиатор

Другая важная деталь, напарник радиатора, не видна напрямую.Это окружающий воздух с его температурой, где рассеивается тепло.
Помимо вышеупомянутых частей, для полного приложения важны другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и контроля контроллера ТЕС, вентилятор и, конечно же, источник питания.

Просмотрите следующее видео, чтобы получить обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, где мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, например на температуру предметов не влияет конвекция. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения

Следующая — еще более упрощенная схема — представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В этом случае объект охлаждается до -5 ° C холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35 ° C. Радиатор отводит тепло в окружающий воздух, имеющий температуру 25 ° C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температур

Процесс проектирования

При разработке термоэлектрического охлаждающего устройства необходимы следующие шаги:

1. Оценить тепловую нагрузку охлаждаемого объекта
2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
3. Выберите элемент Пельтье, соответствующий требованиям
4. Выберите контроллер ТЕС с подходящим диапазоном мощности
5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
6. Выберите вентилятор для вентиляции радиатора (дополнительно)
7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
8. Выберите источник питания для TEC controlle

Это итеративный процесс.Протестируйте экспериментальную установку, улучшите ее, повторите описанные выше шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено от объекта холодной поверхностью ПЭМ или элемента Пельтье. (Q _C [Вт])
В зависимости от области применения необходимо учитывать различные типы тепловой нагрузки:

• Рассеиваемая мощность
• Радиация
• Конвектив
• Проводящий
• динамический (dQ / dt)

Эти нагрузки суммированы в тепловой нагрузке Q _C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определение температуры

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до заданной температуры. Если охлаждаемый объект соприкасается с холодной поверхностью термоэлектрического модуля, температуру объекта можно считать равной температуре холодной стороны элемента Пельтье через определенное время.

При описании термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

• T _O Температура объекта (температура холодной стороны) [° C]
• T _HS Температура радиатора (температура горячей стороны) [° C] = T _окр. + ΔT _HS
  См. Раздел 5.Радиатор для получения дополнительной информации.

Разница между T _O и T _HS известна как dT (ΔT или deltaT) [K]:
dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT _HS — Т _О

3. Выбор элемента Пельтье / ТЕМ-модуля

Элемент Пельтье создает разницу температур между его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев при выборе элемента Пельтье является коэффициент полезного действия (COP).Определение COP — это тепло, поглощенное на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло отводится радиатором. (Q _h = Q _C + P _el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT дает оптимальный COP.

Наконец, мы получаем оценку Q _max , которая позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетную маржу на

• выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса выше требуемой,
• , разработав систему с рабочим током значительно ниже I _max элемента Пельтье,
• или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор, чтобы поддерживать низкую температуру горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгоне.

Список дистрибьюторов см. На странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера ТЕС

Контроллер ТЕС регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального COP. На основе этого тока мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I _max .

Одноканальные контроллеры ТЕС:

Двухканальные контроллеры ТЕС в параллельном режиме:

Пожалуйста, обратитесь к странице продукта контроллера TEC для обзора.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку с горячей стороны элемента Пельтье и отводит ее в окружающий воздух.

При подборе радиатора необходимо добавить некоторый запас, чтобы его температура не стала слишком высокой. На следующей диаграмме показано, что тепло Q _h , отклоняемое элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q _max . Это происходит из-за внутреннего тепла в элементе Пельтье во время теплового насоса.Следовательно, общее тепло, которое должно рассеиваться на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, производимого внутри элемента Пельтье.

На графике ниже показано соотношение между теплотой, отбрасываемой элементом Пельтье, в зависимости от тока для различных dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, чтобы оценить тепло, рассеиваемое радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по своей форме и размерам, эффективность контроллера ТЕС также играет решающую роль, поскольку размер радиатора зависит от него.В зависимости от ваших требований решением может быть изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Тепловое сопротивление рассчитывается по формуле: R _thHS = ΔT _HS / Q _h [K / W]
ΔT _HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q _h = Общая тепловая нагрузка (объект + потеря элемента Пельтье) [Вт]

Чтобы оценить ΔT _HS , примите во внимание максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы ваши расчеты в этом случае были верны.

Зависимость отклоненного тепла от dT

На следующем графике показано соотношение между Q _h и Q _C для различных dT. Отношение экспоненциально возрастает с каждым увеличением dT. Это означает, что при большом dT большое количество тепла рассеивается радиатором, а на холодной стороне элемента Пельтье поглощается сравнительно небольшое количество тепла.

Мы также можем использовать этот график для оценки получаемого теплоотвода на основе количества переносимого тепла Q _C , даже до выбора элемента Пельтье.

Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реальное значение для dT _HS . Поскольку мы еще не знаем настоящего Q _h , мы оцениваем его по приведенному выше графику.

Найдите отношение Q _h / Q _C при заданном токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур между радиатором и температурой окружающего воздуха ΔT _HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R _thHS Q _h нашим соотношением Q _h / Q _C .

R _thHS = ΔT _HS / (отношение * Q _C )

Конечно, размеры остаются в силе только в том случае, если мы позже задействуем элемент Пельтье в выбранной рабочей точке (т. Е. Выбранном токе).

Выбор теплового сопротивления радиатора может влиять на dT = T _amb + ΔT _HS — T _O .
(ΔT _HS = Q _h / R _thHS )

Дистрибьюторы / производители

6.Вентилятор

Вентиляторное охлаждение радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Следовательно, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять максимум двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

• Входной сигнал управления ШИМ для управления скоростью вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал с частотой 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100%.
• Выходной сигнал генератора частоты, который представляет скорость вращения. На выходе должен быть выходной сигнал с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, что и напряжение питания контроллера ТЕС.

Рекомендации для поклонников

Для получения подробной информации о функциях вентилятора, предложениях вентилятора и оптимальных настройках, пожалуйста, обратитесь к Руководству пользователя TEC Family, глава 6.3 (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру ТЕС

См. Страницу с примечаниями к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Примеры расчетов

Рассчитаем для примера расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Для выбора элемента Пельтье необходимы два тепловых параметра .

• Максимальная холодопроизводительность Q _max
• Разница температур dT

Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Мы предполагаем, что объект с тепловой нагрузкой Q _C = 10 Вт должен быть охлажден до нуля градусов Цельсия.(T _O = 0 ° C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 ° C, а температура радиатора T _S ожидается на уровне 30 ° C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы неправильно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и заданной температурой объекта.

Выбор модуля Пельтье / ТЕМ

Наша цель — найти Q _max , достаточно большой, чтобы покрыть необходимый Q _C и дать лучший COP.

На графике зависимости производительности от тока мы находим максимум кривой dT = 30 K при токе I / I _max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике тепловой насос в зависимости от тока значение Q _C / Q _max = 0,25 для данной разницы температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q _max для элемента Пельтье. Q _макс = Q _C / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике зависимости производительности от тока мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I / I _max . Это позволяет нам рассчитать P _el = Q _C / COP = 10 Вт / 0,6 = 16,7 Вт .

Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов. В их линейке продукции мы ищем элемент с Q _max 40 Вт.Поскольку у нас разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.

В качестве примера мы выбираем элемент Пельтье с Q _max = 41 Вт, dT _max = 68 K, I _max = 5 A и V _max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I _max * (I / I _max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
В = P _el / I = 16,7 Вт / 3.83A = 7,42 В

Выбор контроллера ТЕС

Исходя из рассчитанных значений, мы выбираем TEC-контроллер TEC-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЕС с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет общеизвестной, может быть достаточно другого контроллера с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам необходимо знать необходимое тепловое сопротивление радиатора.На графике отклонения тепла от тока мы находим Q _h / Q _max = 0,6 для выбранных нами тока и dT. Таким образом, Q _h = Q _max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R _thHS = ΔT _HS / Q _h = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 K / Вт
Нам нужен радиатор с меньшим тепловым сопротивлением чем 0,2 К / Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Для определения оптимальных параметров системы необходимо тестирование реальной системы и повторение этапов проектирования.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте датчик температуры (датчик). Обратите внимание, что важно разместить датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна желаемая температура.

Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуры намного ниже 0 ° C, необходимы зонды Pt100 / 1000. Это связано с тем, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC нельзя использовать, поскольку значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЕС.

При использовании датчиков Pt100 / 1000 температура объекта измеряется с использованием метода измерения с четырьмя контактами (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низких сопротивлениях.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных электродов. (Подробнее о четырехконтактном считывании)

Диапазон измерения температуры контроллера ТЕС зависит как от датчика температуры, так и от конфигурации оборудования. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему техническому описанию для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

См. Страницу Примечания к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источникам питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЕС.

В зависимости от выбранного контроллера ТЕС необходимо выбрать источник питания. Убедитесь, что источник питания может обеспечить питание, необходимое для управления контроллером ТЕС с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва. Умножьте необходимую выходную мощность ТЕС на 1,1). Информацию о соотношении входного и выходного напряжений см. В таблице данных контроллера.

Рекомендации по источникам питания

10. Проверьте свою настройку

Теперь, когда вы выбрали компоненты системы, вы настраиваете приложение и начинаете тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с использованием нашего сервисного программного обеспечения, обратитесь к нашему пошаговому руководству по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и протестировать бесплатно.

11. Узлы термоэлектрического охлаждения

Существуют также универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите строить систему с нуля.Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок представляет интерес на этапе прототипирования для первых экспериментов.

.

Оценка температуры провода сопротивления для нагревательного элемента с открытой спиралью

Для обычного конвекционного нагрева воздуха температура воздуха и объемный поток воздуха, поступающего в нагревательный элемент, а также мощность, производимая элементом, известны или могут быть указаны. Желаемая температура воздуха на выходе из нагревательного элемента достигается за счет общей регулировки мощности и / или воздушного потока. Оценка первого порядка температуры воздуха на выходе из элемента может быть легко получена с помощью следующей формулы:

(1) P = m’cp (T _из −T _из )

Где:

P = мощность [Вт]

м ‘= массовый расход [кг / с] ₁

c _p = удельная теплоемкость воздуха при T _avg [Дж / кг * K]

T _avg = (T _out −T _in ) / 2 [K]

T _{на выходе} = температура воздуха на выходе [K]

T _дюйм = температура входящего воздуха [K]

Если вначале взглянуть на основное уравнение конвективной теплопередачи, приведенное ниже (иногда называемое законом охлаждения Ньютона), кажется, что было бы относительно просто определить температуру провода сопротивления открытого змеевика.

(2) q = Q / A = h (T _провод −T _воздух )

Где:

q = конвективный тепловой поток [Вт / м ² ] ₂

Q = тепло, рассеиваемое конвекцией [Вт]

A = конвективная площадь поверхности [м ² ]

h = коэффициент теплопередачи [Вт / м ² * K] ₃

T _провод = температура провода сопротивления [K]

T _воздух = температура воздуха [K]

Однако в типичном учебнике по основам теплопередачи (DeWitt, 1981) в начале раздела, посвященного конвективному нагреву, не говорится, что «h» не является простой константой, независимой от температуры.«h» обычно рассчитывается по эмпирической формуле ₄ в зависимости от температуры, скорости воздуха и геометрии. Обзор любого учебника по основам теплопередачи будет содержать список различных формул для h (или числа Нуссельта, Nu, безразмерной константы, из которой можно рассчитать h) для различных геометрических форм. Для нашей проблемы с открытым змеевиком нагревательного элемента формула для формы или геометрии спирали обычно не включается.

Формула для принудительной конвекции против змеевика была первоначально опубликована Cjnacki (Hegbom, 1997).Он предназначен для катушек с коэффициентом растяжения от 1,3 до 5 и имеет форму:

.

(3) Nu = C = CRe ⁿ

Где:

Re = Vd / v = число Рейнольдса ₅

Nu = hd / λ = число Нуссельта

V = скорость воздуха [м / с]; допустимый диапазон 2-22 м / с

d = диаметр проволоки [м]; допустимый диапазон 1-4 мм

v = кинематическая вязкость воздуха [м ² / с]

h = коэффициент теплопередачи [Вт / м ² * K]

λ = теплопроводность [Вт / м * K]

T _провод = температура резистивного провода [° C]; допустимый диапазон 200-800 ° C

T _воздух = температура воздуха [° C]; допустимый диапазон 200-800 ° C

Решение для h дает:

(4) h = (λ / d) C (Vd) ⁿ

Для определения c и n:

T _e = (273 + T _провод ) / (273 + T _воздух )

lg (R1) = 3.368 — (0,278) т _е

, если (T _e −3,328) ; п = 0,64 — (0,07) т _д

, если> R1: C = [1,84] ^{(T _e −4,25)} ; п = 0,74 — (0,07) т _д

При повышении температуры провода рассеивание тепла за счет излучения становится более заметным, и его также необходимо учитывать.

Мощность = I ² R = Мощность _{конвекция} + Мощность _{излучение}

Для открытого элемента катушки рассеяние тепла излучения нежелательно, поскольку большая часть излучаемого тепла теряется в окружающую среду, а не в воздушный поток, который мы пытаемся нагреть.

Давайте теперь рассмотрим пример, чтобы показать, как можно использовать формулу для оценки температуры провода. Мы предполагаем, что в этом случае излучение незначительно.

Для данного применения нагревателя известно:

T _воздух = 200 ° C

16 га. используется провод сопротивления: d = 0,0508 дюйма = 1,291 мм

q = 30 Вт / дюйм ²

V = 15 м / с

С повсеместной доступностью вычислительных мощностей для работы с электронными таблицами я нашел наиболее продуктивным подходом:

1. Оценить температуру проволоки, T _{проволока}
2. Рассчитайте коэффициент теплопередачи по уравнению (4)
3. С помощью уравнения (2) вычислите q, конвективный тепловой поток или плотность ватт
4. Сравните разницу с известной удельной мощностью катушки.Для следующей итерации отрегулируйте расчетную температуру проволоки T _wire до тех пор, пока два значения q не станут примерно равными.

Для вышеуказанных условий итерация с использованием электронной таблицы дала следующий результат.

Расчетная температура сопротивления провода = 348 ° C.

В заключение, описанная выше процедура может использоваться для оценки температуры резистивного провода открытого элемента катушки, когда известно, что условия преимущественно конвективные.Этот расчет несколько утомителен даже с использованием электронной таблицы, но после того, как электронная таблица настроена, будущие вычисления будут относительно простыми. Это также демонстрирует необходимость тщательного поиска в литературе уравнений, подходящих для условий, найденных с открытыми элементами катушки. На сегодняшний день я не встречал аналогичных формул, применимых к нагревательным элементам с открытым змеевиком, и был бы рад услышать от вас, чтобы обсудить, поделиться информацией, мыслями по этому поводу. В целом разработка более разнообразных формул принесет пользу широкому спектру промышленных и коммерческих приложений.

₁ Объемный расход можно преобразовать в массовый, если известны давление воздуха на входе (часто p ≈ 1 атм) и температура воздуха на входе.

₂ Конвективный тепловой поток часто называют «плотностью ватт» с единицами измерения ватт / дюйм ² в США

₃ Коэффициент теплопередачи иногда также называют коэффициентом пленки.

₄ Это означает, что не существует единой теории конвективной теплопередачи.Данные собираются в ходе эксперимента, и формула разрабатывается для соответствия данным

₅ Nu и Re основаны на характерной длине диаметра проволоки d.

DeWitt, I. (1981). Основы теплопередачи . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc.

Дифольц, Д. (2013, январь). SCFM, CFM В чем разница? Получено 18 июля 2013 г. с сайта www.farnam-custon.com: http://www.farnam-custom.com/library/engineertalk/scfm-cfm-whats-the-difference

Хегбом, Т.(1997). Интеграция электрических нагревательных элементов в конструкцию прибора . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер.

.