Výpočet výkonu topných těles – topných těles |
Optimálním zdrojem energie pro ohřev odpařovací nádrže je bytová elektrická síť o napětí 220 V. K těmto účelům jednoduše poslouží domácí elektrický sporák. Při topení na elektrickém sporáku se ale mnoho energie vynakládá na zbytečné topení samotných kamen a navíc je vyzařováno z topného tělesa do vnějšího prostředí, aniž by se odváděla nějaká užitečná práce. Tato promarněná energie může dosahovat slušných hodnot – až 30-50% z celkového výkonu vynaloženého na ohřev kostky. Proto je používání klasických elektrických sporáků z ekonomického hlediska iracionální. Koneckonců, za každý kilowatt energie navíc musíte zaplatit. Nejúčinnější je použít elektroniku zabudovanou do odpařovací nádrže. Topná tělesa. U této konstrukce je veškerá energie vynaložena pouze na ohřev krychle + záření z jejích stěn ven. Stěny krychle musí být tepelně izolovány, aby se snížily tepelné ztráty. Vždyť náklady na sálání tepla ze stěn samotné krychle mohou v závislosti na její velikosti dosahovat i 20 i více procent z celkového vynaloženého výkonu. Pro použití jako topná tělesa zapuštěná do nádoby jsou zcela vhodná topná tělesa z domácích varných konvic nebo jiných vhodných velikostí. Výkon takových topných prvků se liší. Nejčastěji používaná topná tělesa s výkonem vyraženým na tělese jsou 1.0 kW a 1.25 kW. Ale jsou i další. Výkon 1. topného tělesa tedy nemusí odpovídat parametrům pro ohřev kostky a může být více či méně. V takových případech můžete pro získání požadovaného topného výkonu použít několik topných těles zapojených sériově nebo sériově paralelně. Spínáním různých kombinací připojovacích topných těles přechod od domácí el. desky, můžete získat různý výkon. Například s osmi zabudovanými topnými tělesy, každý o výkonu 1.25 kW, v závislosti na spínací kombinaci, můžete získat následující výkon.
Tento rozsah je zcela dostačující pro nastavení a udržení požadované teploty během destilace a rektifikace. Další výkon ale můžete získat přidáním počtu spínacích režimů a použitím různých kombinací spínání.
Sériové zapojení 2 topných těles po 1.25 kW a jejich připojení k síti 220 V dává celkem 625 W. Paralelní připojení dává celkem 2.5 kW.
Můžete vypočítat pomocí následujícího vzorce.
Aktuální napětí v síti známe, je 220V. Dále také známe výkon topného tělesa, vyraženého na jeho povrchu, řekněme 1,25 kW, což znamená, že potřebujeme znát proud protékající tímto okruhem. Když známe napětí a výkon, zjistíme sílu proudu z následujícího vzorce.
Proud = výkon dělený napětím sítě.
Píše se to takto: I = P / U.
Kde I je aktuální síla v ampérech.
P je výkon ve wattech.
U je napětí ve voltech.
Při výpočtu je třeba převést výkon uvedený na tělese topného tělesa v kW na watty.
1,25 kW = 1250W. Do tohoto vzorce dosadíme známé hodnoty a získáme aktuální sílu.
I = 1250 W / 220 = 5,681 A
Dále, když známe sílu proudu, vypočítáme odpor topného článku pomocí následujícího vzorce.
R – odpor v Ohmech
U – napětí ve voltech
I – proud v ampérech
Známé hodnoty dosadíme do vzorce a zjistíme odpor 1 topného tělesa.
R = 220/5.681 = 38,725 Ohm.
Dále vypočítáme celkový odpor všech sériově zapojených topných těles. Celkový odpor je roven součtu všech odporů zapojených do série s topnými články
Rtotal = R1+ R2 + R3 atd.
Dvě sériově zapojené topné články mají tedy odpor 77,45 Ohmů. Nyní je snadné vypočítat výkon uvolněný těmito dvěma topnými články.
P – výkon ve wattech
U2 – napětí na druhou, ve voltech
R je celkový odpor všech vedení. spoj. topné prvky
P = 624,919 W, zaokrouhleno na 625 W.
V případě potřeby pak můžete vypočítat výkon libovolného počtu sériově zapojených topných těles nebo se podívat do tabulky.
V tabulce 1.1 jsou uvedeny hodnoty pro sériové zapojení topných těles.
| Počet topných těles | výkon, W) | Odpor (Ohm) | Napětí (V) | Aktuální (A) |
| 1 | 1250,000 | 38,725 | 220 | 5,68 |
| Sériové připojení | ||||
| 2 | 625 | 2 topná tělesa = 77,45 | 220 | 2,84 |
| 3 | 416 | 3 topné těleso =1 16,175 | 220 | 1,89 |
| 4 | 312 | 4 topné těleso = 154,9 | 220 | 1,42 |
| 5 | 250 | 5 topné těleso = 193,625 | 220 | 1,13 |
| 6 | 208 | 6 topné těleso = 232,35 | 220 | 0,94 |
| 7 | 178 | 7 topné těleso = 271,075 | 220 | 0,81 |
| 8 | 156 | 8 topné těleso = 309,8 | 220 | 0,71 |
V tabulce 1.2 jsou uvedeny hodnoty pro paralelní zapojení topných těles.
| Počet topných těles | výkon, W) | Odpor (Ohm) | Napětí (V) | Aktuální (A) |
| Paralelní připojení | ||||
| 2 | 2500 | 2 topné těleso = 19,3625 | 220 | 11,36 |
| 3 | 3750 | 3 topné těleso = 12,9083 | 220 | 17,04 |
| 4 | 5000 | 4 topné těleso = 9,68125 | 220 | 22,72 |
| 5 | 6250 | 5 topné těleso = 7,7450 | 220 | 28,40 |
| 6 | 7500 | 6 topné těleso = 6,45415 | 220 | 34,08 |
| 7 | 8750 | 7 topné těleso = 5,5321 | 220 | 39,76 |
| 8 | 10000 | 8 topné těleso = 4,840 | 220 | 45,45 |
Další důležitou výhodou, kterou sériové zapojení topných těles poskytuje, je to, že proud, který jimi protéká, je několikanásobně snížen, a proto je pouzdro topného tělesa nízké, čímž se zabraňuje spálení rmutu během destilace a nepřináší nepříjemnou přídavnou chuť. a vůní do konečného produktu. Také životnost topných těles bude s tímto zahrnutím téměř věčná.
Výpočty byly provedeny pro topná tělesa o výkonu 1.25 kW. Pro topná tělesa jiného výkonu je nutné celkový výkon přepočítat podle Ohmova zákona pomocí výše uvedených vzorců.
Firma Elektronagrev vyrábí topidla na bázi drátěných nebo páskových (nichrome/fechral) topných těles. Dnes vyrábíme drátěné ohřívače pro vysokoteplotní odporové pece. Na topné zařízení platí následující požadavky:
- odolnost vůči teplu;
- nízký koeficient odporu;
- vysoký odpor;
- mechanická síla;
- odolnost vůči změnám teploty.
Nejčastěji se pro odporové pece používají nichromové slitiny o složení X20N80, X20N80-N atd., fechralové slitiny X23Yu5T, X23Yu5 atd. mají technologické a výrobní rozdíly v použití, instalaci a provozu.
Parametry drátěného ohřívače pro tepelné pece můžete vypočítat pomocí několika příkladů, které jsou založeny na různých úkolech a stávajících charakteristikách instalace pece a aktuální fáze. Zpočátku přistoupíme k nejprimitivnějšímu úkolu, vypočítáme takové charakteristiky, jako je průměr a délka spirálového drátěného ohřívače pro pec, pro kterou již byl stanoven provozní výkon.
Příklad výpočtu potřebných parametrů nichromového drátového ohřívače označeného X20N80 pomocí poskytnutých parametrů:
Topný výkon P = 1200 W;
Síťové napájecí napětí U = 230 V;
Přívod teploty topného tělesa – 500 °C.
1. Nejprve je třeba vypočítat procházející nebo vypočítanou sílu proudu pomocí vzorce:
I=P/U=1200/230=5.2 A,
2. Poté musíte vypočítat odpor ohřívače:
R=U/I=230/5.2=44 Ohm.
Po výpočtu proudové síly vypočítáme požadovaný průměr drátu. Pro topné těleso přenášející proud větší než 6 Ampér, na základě tabulkových údajů musí mít drát průměr průřezu 0,55 mm. Proto podle aktuálních parametrů, které jsme počítali v 5.2 A a provozní teplota v 800 ° C Topný drát musí mít průměr min 0,6 mm, a jeho průřez je plocha 0,283 mXNUMX.
Základním pravidlem pro výpočet průměru ohřívače drátu je vybrat drát, který má proudovou sílu ne menší, než je vypočtená podle daného vzorce. Ale také stojí za to připomenout, že pro minimalizaci spotřeby topného materiálu je nutné vybrat drátěný prvek s nejbližšími údaji o síle procházejícího proudu.
Dále provedeme výpočty na základě délky topného tělesa:
A podle toho vypočítáme délku samotného ohřívače drátu:
l = R • S / ρ = 44 • 0,283 / 1,11 = 9.43 m.
V uvedeném příkladu výpočtu funkci topného tělesa plní drát z nichromové slitiny o průměru 0,6 mm. Podle GOST 12766.1-90 má hodnota elektrického odporu nichromového drátu třídy X20N80 následující indikátory:
1,1 Ohm • mm2/m (ρ = 1,1 Ohm • mm2/m).
Výsledek výpočtů ukazuje, že požadovaná délka nichromového drátu je 9.43 m s průměrem – 0,6 mm.
Následující výpočet parametrů je považován za složitější. V této fázi již bereme v úvahu další technické vlastnosti ohřívačů. Výpočet bude proveden jako příklad s použitím elektrické pece. Jako počáteční údaje bereme vnitřní parametry instalace pece.
1. První věc, kterou musíte udělat, je vypočítat objem komory uvnitř trouby. V tomto případě si vezměme h = 520 mm, d = 420 mm a l = 420 mm (výška, šířka a hloubka). Tím získáme objem V = v • d • l = 520 • 420 • 420 = 92 • 10 6 mm
2. Dále je třeba určit výkon, který má pec produkovat. Síla se určuje podle pravidla. Objem elektrické trouby 30 – 100 litrů má specifický výkon 100 W/l. Výkon ohřívače pro takovou instalaci by se měl vypočítat pomocí následujícího vzorce: P = 100 • 92 = 9200 W = 9.2 kW.
Stojí za zmínku, že s mocí 5-10 kW Ohřívače se obvykle vyrábějí jednofázové. Při vysokých výkonech, aby bylo zajištěno rovnoměrné zatížení sítě, jsou ohřívače vytvořeny jako třífázové.
3. Poté musíte pomocí vzorce najít proud procházející ohřívačem I=P/U.
K vyřešení tohoto produkčního úkolu můžete použít jednu ze dvou metod připojení:
Do domácí jednofázové sítě – U = 230 V;
Do průmyslové sítě třífázového proudu – U = 230 V (mezi nulovým vodičem a fází) popř
U = 380 V (mezi dvěma libovolnými fázemi proudu).
Jednofázová síť (domácnost).
I = P/U = 9200/230 = 40 A — vypočítáme průtok proudu, který prochází ohřívačem.
Dále musíme zjistit odpor odporového ohřívače pracujícího v odporové peci.
R = U/I = 230/40 = 5.75 Ohm.
Třífázová průmyslová síť
V této síti je proudová zátěž rozložena rovnoměrně do všech dostupných fází, tj 9.2 / 3 = 3.1 kW pro každou fázi. Na základě toho chápeme, že musíme mít k dispozici tři topidla. Poté byste měli zvolit metodu, kterou provedeme připojení. Existují dva způsoby připojení ohřívačů k vyřešení tohoto problému: „STAR“ nebo „TRIANGLE“.
Při zapojení podle typu „STAR“ je ohřívač zapojen mezi fází a nulou. Napětí na připojovacích svorkách ohřívače bude U = 230 V.
Proud procházející ohřívačem je
I = P/U = 3100/230 = 13.5 A.
Odpor jednoho ohřívače –
R = U/I = 230/13.5 = 17.04 Ohmů.
Při zapojení typu „TRIANGLE“ je ohřívač zapojen mezi dvě fáze. Napětí na koncích topného tělesa bude U = 380 V.
Proud procházející ohřívačem –
I = P/U = 3100/380 = 8.16 A.
Výpočet odporu jednoho ze tří ohřívačů –
R = U/I = 380/ 8.16 = 46.6 Ohm.
Po výpočtu odporu je nutné zvolit průměr a délku drátu. Než však začnete tento problém řešit, budete muset najít hodnoty měrného povrchového výkonu ohřívače, tj. výkon, který se uvolňuje na jednotku plochy.
Velikost povrchového výkonu topného zařízení je ovlivněna několika faktory:
- Počáteční teplota vytápěného objektu;
- Ohřívací zařízení;
- Parametry topného zařízení.
Pro každý materiál v závislosti na požadovaném tepelném zpracování existuje určitá přípustná hodnota plošného výkonu. Tyto hodnoty lze určit pomocí speciálních tabulek nebo grafů.
Pro pece napájející vysoké teploty (více než 700 – 800° C) přípustný plošný výkon W/m2 se rovná βadd = βeff • α, kde βeff je plošný výkon ohřívačů v závislosti na teplotě teplonosného média [W/m2], α je koeficient účinnosti sálání.
βeff se vybírá pomocí speciální tabulky.
Pokud má trouba nízkou teplotu (teplota nižší než 200 – 300° C), pak lze přípustný povrchový výkon považovat za rovný (4 – 6) • 104 W/m2 .
Předpokládejme, že teplota ohřívače je 900 °C a chceme ohřát obrobek na teplotu 800 ° C. Poté pomocí tabulek vybereme βeff = 2.65 W/cm2, α = 0,2, βadd = βeff • α = 2.65 • 0,2 = 0.53 W/cm2=0.53 • 10 4 W/m2.
Po určení přípustného plošného výkonu ohřívače je nutné zjistit jeho průměr (u drátových ohřívačů) nebo šířku a tloušťku (u páskových ohřívačů) a také jeho délku. Průměr drátu lze určit pomocí následujícího vzorce:
Délku drátu lze určit pomocí následujícího vzorce:
Na základě existujících dat můžete snadno určit připojení k síti jednofázového a třífázového proudu. Okamžitě můžete naznačit, že „hvězda“ vyžaduje drát s větším průměrem než „trojúhelník“, aby byla zajištěna energie 9.2 kW. V tomto případě by měla být délka drátu při připojení pomocí typu „Star“ kratší než u typu „Trojúhelník“ a požadovaná hmotnost je naopak větší.
Chcete-li použít vypočítaný nichromový drát, musíte z něj vytvořit spirálu. Předpokládá se, že průměry topné spirály jsou rovné:
D = (7 ÷ 10) ⋅ d – pro slitiny niklu a chrómu.
D = (4÷6) ⋅d — pro slitiny chromu a hliníku.
Aby se zabránilo přehřívání, musí být spirála natažena tak, aby vzdálenost mezi závity byla jedenapůlkrát větší než stávající průměr samotného topného tělesa. Za připomenutí také stojí, že kromě drátu lze jako ohřívače použít i pásku. Kromě výběru velikosti drátu stojí za to zvážit materiál ohřívače, typ a umístění.