Расчет электроконвектора

 

Содержание

1. ЗАДАНИЕ………………………………………………..……………..………3

1.1. Цель РГЗ………………………………….…………………..………...3

1.2. Исходные данные  к курсовой работе………………………...………3

2. КРАТКИЕ  СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОКРНВЕКТОРАХ…………………....4

2.1. Назначениеи классификация электроконвекторов…………...……..4

2.2. Принцип действия  электроконвекторов…………………………..….4

2.3. Нагревательные  элементы электроконвекторов…………...…….….5

2.4. Регулирование  мощности электроконвекторов…………...………...6

2.5. Дополнительные устройства в  электроконвекторах………..............7

2.6. Пример конструктивного устройства  электроконвектора..…...........8

3. РАСЧЕТ  ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРА С ОТКРЫТЫМ  НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ………………………………………………………..……………9

3.1.Расчет  нагревателя электроконвектора……………………………...10

3.2Тепловой  и аэродинамический расчеты электроконвектора.............14

Список  источников литературы………………………………………….……..21

 

 1. ЗАДАНИЕ

1.1. Цель РГЗ – расчет электроконвектора с открытым нагревательным элементом. В данном РГЗ проводятся следующие расчеты:

• расчет открытого нагревательного элемента конвектора, по результатам которого определяется диаметр проволоки нагревательного элемента, число параллельных и последовательных ветвей спирали, а также предварительные размеры нагревательного элемента в зависимости от выбранной компоновки спирали в электроконвекторе;
• тепловой и аеродинамический расчеты электроконвектора, по результатам которых определяются габаритные размеры нагревателя и размеры корпуса электроконвектора.

 

1.2. Исходные данные к РГЗ.

Таблица 1. Исходные данные для расчета электроконвектора.

№ вари-анта	Номинальная мощность электроконвектора,кВт	Разбивка  отверстий в изолирующих  планках электроконвектора	Регулированиемощности	Число ветвей открытой  спирали
7	1,25	коридорная	без регулиров.	1

 

Примечание:для данного варианта используется нихром марки Х15Н60-Н.

 

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРАХ

2.1. Назначение  и классификация электроконвекторов.

Функциональным  назначением электроконвектора  является нагрев окружающего воздуха  путем естественной конвекции.

Подобные  приборы целесообразно использовать в помещениях с достаточной теплоизоляцией (здания капитальной постройки, утепленные деревянные дома и т.п.). Электроконвекторы имеют небольшую массу и работают бесшумно и надежно, их можно устанавливать в любом месте помещения.

Электроконвекторы классифицируют  по назначению (стационарные и переносные), исполнению (напольные, настенные, комбинированные), конструкции нагревательного элемента (открытый, закрытый), системе регулирования мощности (нерегулируемые, со ступенчатым или бесступенчатым регулированием, с автоматическим терморегулятором) [1].

Типы и основные параметры переносных электроконвекторов для дополнительного  отопления жилых помещений регламентируются ГОСТом. В условиях нормальной эксплуатации температура боковой поверхности корпуса не должна превышать температуру окружающего воздуха более чем на 75°С, а температура выходящего воздуха – более чем на 85°С.

Средняя наработка на отказ у электроконвекторов должна составлять не менее 4000 ч при гарантии изготовителя  2 года.

 

2.2. Принцип действия  электроконвекторов.

Принцип действия электроконвектора показан на рис.1. Соприкасаясь с нагревательным элементом 3, воздух внутри прибора нагревается и поднимается вверх, покидая прибор через выходное отверстие 1 в корпусе 2. Холодный воздух поступает через входное отверстие 4. Корпус электроконвектора экранирует излучение нагревательного элемента на окружающие предметы и тем самым увеличивает конвективную составляющую теплоотдачи.

Одновременно корпус служит своеобразной дымовой трубой, увеличивая естественную тягу электроконвектора и расход воздуха через него.

Для защиты от попадания  посторонних предметов входное  и выходное отверстия закрыты  защитной декоративной решеткой.

Рис. 1. Принципиальная схема  электроконвектора.

 

2.3. Нагревательные элементы электроконвекторов.

В переносных электроконвекторах чаще всего применяют открытую спираль из специального сплава. Для этой цели обычно используются нихромы марок Х15Н60-Н и Х20Н80-Н. Спираль растягивается в несколько рядов на изоляторах (например, в виде планок с отверстиями), изготовленных из материала с хорошими изоляционными и механическими свойствами при температурах до 600°С, а также с ограниченным водопоглощением (кордиерит, электрофарфор). По обеим сторонам спирали часто устанавливают дополнительные экраны небольшой высоты, которые уменьшают излучение спирали на корпус и попутно используются для крепления планок. Экраны, планки, спирали, а иногда и нижняя решетка образуют самостоятельный узел – нагреватель.

В стационарных приборах применяют закрытые нагревательные элементы: трубчатые, плоские или оребренные типа «Хромалокс» – более дорогие и тяжелые, чем открытая спираль, но более гигиеничные, надежные и долговечные ввиду меньшей температуры поверхности. В некоторых конструкциях используют так называемые защищенные нагреватели из спиралей в керамических бусах или трубок из нагревостойкого стекла, размещенных внутри наборных пластин, фасонных чехлов, экранов и т. п. Материал бус должен сочетать высокие электроизоляционные свойства при температурах до 800–900°С с достаточно хорошей теплопроводностью во избежание опасного нагрева спирали. Защищенные нагреватели дешевле трубчатых и безопаснее открытых спиралей; их недостатками при варианте с бусами являются сложность сборки и повышенная температура спирали, которая все же соприкасается с воздухом и окисляется. Вариант с трубками дороже, но удобнее при сборке.

 

2.4. Регулирование мощности электроконвекторов.

По системе регулирования мощности электроконвекторы разделяются  на нерегулируемые, со ступенчатым регулированием, с бесступенчатым регулированием, а также с автоматическим регулированием с помощью терморегулятора.

Наиболее простое –  ступенчатое регулирование мощности электроконвектора осуществляют вручную переключателем или отдельными выключателями. Нагревательные элементы образуют здесь самостоятельные секции, включаемые параллельно, последовательно или со смешанным соединением.

Для равномерного распределения  мощности по ступеням предпочтительны тумблерные или клавишные выключатели на каждую ступень.

Более совершенным для  всех электроотопительных приборов является автоматическое регулирование  по температуре помещения. Соответствующее устройство называется терморегулятором и устанавливается либо на входе холодного воздуха, либо отдельно от прибора. Не всегда удается полностью защитить чувствительный элемент от теплового воздействия самого электроконвектора, поэтому ГОСТ предусматривает в приборах с терморегулятором обязательный вынос этого устройства. В стационарных системах рекомендуется устанавливать терморегулятор на высоте 1,5 м на наиболее удаленной от нагревательных приборов стене. Для переносных приборов достаточно установить терморегулятор в зоне штепсельной розетки.

Терморегулятор должен иметь шкалу от +10 до +30°С и точность поддержания температуры ±1,5°С. Чувствительными элементами терморегулятора могут быть биметаллическая пластина, полупроводник с необходимым температурным коэффициентом сопротивления, а также термобаллон, заполненный жидкостью с большим температурным коэффициентом линейного расширения. Ввиду возможности частых включений, создающих радиопомехи, терморегулятор снабжен механизмом мгновенного срабатывания.

В общем случае электроконвектор может иметь как  терморегулятор, так и переключатель  мощности, позволяющий избегать частого срабатывания контактов. Электрическая схема подобного прибора характерна для многих видов БЭОП приведена на рис. 2.

Рис. 2. Электрическая  схема электроконвектора с выносным терморегулятором и ступенчатым регулированием мощности: Н1, Н2 – нагреватели; В1,В2–выключатели; ТР – терморегулятор; ЛС – сигнальная лампа; R – резистор.

 

2.5. Дополнительные устройства в электроконвекторах.

Для удобства при эксплуатации электроконвекторы могут иметь  ряд устройств. Одним из них является сигнальная лампа, указывающая на включение прибора. Она особенно полезна в стационарных моделях, в которых некоторые фирмы предусматривают две-три степени накала, зависящие от изменяемой мощности прибора.

Некоторые модели конвекторов оснащаются аварийным регулятором – термоограничителем, обычно биметаллическим, отключающим прибор при его перегреве в результате неправильной эксплуатации, например при закрывании выходных отверстий или опрокидывании в горизонтальное положение.

 

2.6. Пример конструктивного устройства электроконвектора.

На рис. 3 показан внешний  вид и устройство электроконвектора  типа ЭВПС-1,0/220.

Рис. 3. Устройство электроконвектора  ЭВПС 1,0/220

 

Корпус прибора 1 выполнен методом гибки из листовой стали и установлен на ножках 7. С торцов корпус закрыт боковинами 5. В боковинах предусмотрены пластмассовые вкладыши 3 с нишами, которые служат ручками для переноса. В правой боковине смонтированы клавишные выключатели 4. Нагревательный элемент выполнен из стальных пластин 2, между которыми зажаты керамические планки 8 с отверстиями. Через отверстия проходит нагревательная спираль 9. Электроконвектор присоединяют к сети шнуром 10, о включении в сеть сигнализирует индикаторная лампа 6.

 

3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОРА  С ОТКРЫТЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

Расчетная схема электроконвектора приведена на рис.4.

Рис. 4. Расчетная схема  электроконвектора:

1 - корпус; 2 - нагреватель; 3 - экран.

Схема возможной разбивки отверстий  в изолирующих планках электроконвектора  приведена на рис. 5. Изолирующие планки в электроконвекторах устанавливаются из расчета 1 планка на 15-20 см длины нагревательного элемента.

Рис. 5. Разбивка отверстий  в изолирующих планках

электроконвектора: а - шахматная; б - коридорная.

3.1. Расчет нагревателя  электроконвектора.

При z параллельных ветвей открытой спирали расчет ведут для i-й ветви, где 1 £ i £ z.

Решая совместно известные уравнения, связывающие геометрические параметры  спирали с электрическими и тепловыми, находим диаметр проволоки [6]:

 (1)

(м),

(м),

где и U - соответственно номинальные значения мощности ветви спирали, Вт, и напряжения сети, В; - максимально допустимая температура проволоки, °С; - температура воздуха на выходе из прибора, °С; - удельное сопротивление материала проволоки при рабочей температуре, Ом^.м; h_к=0,7¸0,85 - доля теплоотдачи естественной конвекцией внутри прибора в общем балансе теплоты (с запасом принято, что вся конвективная теплота передается здесь же от спирали); - теплопроводность пленки окружающего проволоку воздуха, Вт/(м×°С), принятая при средней температуре пленки .

Формула (1) была выведена в предположении наименее эффективного пленочного режима естественной конвекции, экспериментально установленного Л.Г. Эйгенсоном [5] для находящихся под током в неограниченном объеме тонких проволок диаметром 0,2-2 мм.

Средняя температура пленки определяется по выражению:

, (2)

°С,

где - средняя температура проволоки, °С; и - соответственно средняя и входная температуры воздуха, °С.

Удельное сопротивление  материала проволоки при рабочей  температуре - r_t определяется по выражению:

, (3)

( Ом^.м),

где - удельное сопротивление материала проволоки при 0°С; - температурный коэффициент сопротивления материала проволоки при 0°С. В качестве материала открытых спиралей электроконвекторов обычно используются нихромы марок Х15Н60-Н ( Ом^.м, = 1/°С) и Х20Н80-Н ( Ом^.м, = 1/°С).

Для предварительных  расчетов можно принимать: = 20 °С, = 100 °С, = 500°С, чему соответствует = 60 °С, = 460 °С, =260 °С и = Вт/(м×°С).

Округлив значение до стандартного значения , найдем скорректированную длину i-й ветви спирали:

, (4)

(м).

Далее следует наметить компоновку спирали в электроконвекторе, руководствуясь в первом приближении значениями относительного шага навивки спирали , относительного диаметра витка и относительного расстояния между осями отдельных спиралей . Дальнейшее сближение витков или спиралей в нагревателях существенно повышает температуру проволоки вследствие взаимного облучения.