Жесткие контактные нагреватели

Нагреватели выполняются в виде плоских и профильных плит прессов и утюжков. Корпуса их делаются разъемными с лабиринтными пазами для теплоносителя. В качестве основных теплоносителей в горячих прессах используется пар, масло, вода, которые являются промежуточным звеном между источником тепла и рабочими плитами. Для их разогрева используются паровые, водные или масляные котлы.

В качестве энергоносителей используются мазут, газ, твердое топливо.

Часто в качестве нагревательного элемента используют трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) 2, уложенные в пазах корпуса плиты 3 и закрытых пластиной 1 (рис. 26).

 

 

Рис. 26. Жесткая нагревательная плита с ТЭН

 

Иногда нагревательный элемент выполняют из проволоки с высоким омическим сопротивлением в форме спирали, изолированной керамическими бусами или трубками.

В качестве изоляционных материалов при изолировании электронагревателей применяют асбест, кремнийорганический каучук, стеклоткань, стеклоленту, специальные лаки. Для изготовления нагревательной спирали используют сплавы хрома, никеля и железа (нихромы) марок Х15Н60, Х25Н20, фехраль марки Х13Ю4, нержавеющую сталь марки Х18Н10Т.

Температура на рабочей поверхности плиты жесткого нагревателя равна 140…160°С. В зависимости от массивности плиты и свойств изоляционного слоя температура на поверхности нагревательной спирали может быть 300…1000°С.

Для определения удельной поверхностной мощности спирали пользуются понятием “идеального нагревателя”, т.е. нагревателя, тепловые потери которого равны нулю.

Допустимую удельную поверхностную мощность идеальной спирали W_ид находят в зависимости от температуры спирали:

 

Температура спирали, °С.
Wид, Вт/м2	0,38×104	0,75×104	1,25×104	2,13×104	3,38×104	4,88×104	7,13×104	10×104

 

Предельно допустимая удельная поверхностная мощность реальной спирали, работающей при той же температуре, что и идеальная спираль, может быть определена по формуле:

, (18)

где a_эф – коэффициент эффективности излучения, a_эф = 0,32;

a_г – коэффициент шага спирали, который находится в зависимости от отношения шага спирали t к диаметру проволоки спирали:

 

T/d
aг	1,2	1,4	1,7	1,9

 

При расчете жесткого нагревателя с проволочной спиралью сначала определяют его мощность по формуле (6).

Для спирали из известных зависимостей

и

получается .

Для круглой проволоки периметр сечения П = pd, а площадь поперечного сечения S = pd²/4. Тогда диаметр проволоки нагревателя, мм,

, (19)

где r - удельное электрическое сопротивление проволоки, Ом×мм²/м;

Р – мощность нагревателя, Вт;

U – напряжение на зажимах нагревателя, B;

W – удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м².

Сопротивление спирали, Ом,

, (20)

Длина проволоки спирали, м,

, (21)

где d – диаметр проволоки, мм.

Длина одного витка спирали

, (22)

где D – наружный диаметр спирали, мм.

Число витков спирали

. (23)

После навивки спирали на стержне и снятия ее спираль несколько раскручивается ввиду упругости проволоки. С учетом этого диаметр стержня должен быть на 7% меньше внутреннего диаметра спирали:

. (24)

Для жестких нагревателей с большой нагреваемой поверхностью и большой мощностью нагревательный элемент разбивают на несколько одинаковых секций, каждую из которых подсоединяют параллельно к токоподводящим шинам. Расчет ведут только для одной секции.

 

Пример. Рассчитать жесткий нагреватель с нагревательным элементом в виде проволочной спирали с размерами В = 200 мм, L = 600 мм, напряжение 127 В, температура спирали 500°С, коэффициент шага a_г = 1,4 при t/d = 3.

Решение. Находим отношение m = L/B = 600/200 = 3. Тогда удельная поверхностная мощность нагревателя w = 3,7 кВт/м².

Мощность нагревателя

Р = 10^-6 × 3,7 × 200 × 600 = 0,444 кВт = 444 Вт.

Установленная мощность Р_у = kР = 1,2 × 444 = 530 Вт.

Материал проволоки спирали – сплав Х15Н60 (r = 1,11 Ом×мм²/м).

Удельное электрическое сопротивление проволоки спирали при температуре 500°С:

r_t = r[1+(500 - 20)a] = 1,11(1 + 480 × 0,00014) = 1,18 Ом×мм²/м.

Допустимая удельная поверхностная мощность спирали при температуре на ее поверхности 500°С:

W_доп = W_ид × a_эф × a_г = 1,25 ×10⁴ × 0,32 ×1,4 = 0,5376 × 10⁴ Вт/м².

Диаметр проволоки спирали:

мм.

Диаметр проволоки округляют до стандартного значения из ряда, мм: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0.

Принимаем d = 1,2 мм.

Поверочный расчет диаметра проволоки:

R = U²/P = 127²/530 = 30,4 Ом;

длина проволоки l =RS/r = 30,4 × 3,14 ×1,2²/(4 × 1,18) = 30,4 м;

W = P/(p l) = 530/(3,14 × 1,2 × 10^-3 × 30,4) = 0,4627 × 10⁴ Вт/м².

Значение W < W_доп. Диаметр проволоки выбран правильно.

По условию t/d = 3. Шаг спирали t = 3d = 3,6 мм. Пусть длина спирали l _сп = 4 L = 2400 мм. Количество витков спирали

n = 2400/3,6 = 667.

Длина одного витка

l ₁ = 1000 l /n = 1000× 30,4/667 = 45,5 мм.

Наружный диаметр спирали

D = l ₁/p - 1,2 = 45,5/3,14-1,2 =13,3 мм.

Диаметр стержня для навивки спирали

D _ст = (D –2 d)/1,07 = (13,3 – 2 × 1,2)/1,07 = 10,4 мм.

При температуре спирали 700°С расчетные данные будут следующие:

W_доп = 3,38 × 10⁴ × 0,32 × 1,4 = 1,514 × 10⁴ Вт/м²;

мм;

R = 30,4 Ом; l = 30,4 × 3,14 × 0,8²/(4 × 1,18) = 13,5 м;

W = P/(pd l) = 530/(3,14 × 0,8 × 10^-3 × 13,5) = 1,5 × 10⁴ Вт/м².

При температуре 700°С диаметр проволоки и ее длина стали меньше. Их значения можно еще уменьшить, так как при короткой проволоке можно увеличить отношение t/d до 5, что приведет к увеличению W_доп.