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.

На основании приведенных  выше относительных соотношений  определяют:

шаг навивки спирали 

, (5)

(м),

диаметр витка спирали 

, (6)

(м),

расстояние между осями  отдельных спиралей

, (7)

(м).

Так как Р = 1,25 кВт , выбераем  z₁=2.

При расчете (5) и (6) отношения  и вначале принимают средними из рекомендованных выше значений.

Число горизонтальных участков спирали определяется желательной  длиной прибора, а число вертикальных рядов - желательной шириной.

На основании опыта  конструирования электроконвекторов во ВНИИЭТО [2] можно рекомендовать  следующее соотношение между номинальной мощностью прибора Р и числом вертикальных рядов спирали нагревателя z₁:

Р, кВт  0,5–0,8 1,0; 1,25...1,6;  2,0

        1   2  ………..        3

Обычно вертикальные ряды спиралей соединяют между собой  параллельно.

Число горизонтальных участков спирали в пределах одной ее ветви  длиной L₁ можно найти из соотношения:

 (8)

где длина нагревателя  может предварительно приниматься в пределах 0,4–0,5 м для мощностей 0,5–1,25 кВт и 0,6–0,7 м для мощностей 1,6 и 2 кВт. Принимаем (м).

Найденное по (8) значение округляют до целого числа, после чего производят окончательную корректировку параметров спирали. Расстояние от крайних спиралей до стенок корпуса или экранов рекомендуется выбирать не менее 8-10 мм, так как спирали со временем немного провисают и при слишком малых зазорах могут коснуться корпуса при случайном встряхивании или опрокидывании прибора.

Ширину нагревателя, м, вычисляют по формуле:

. (9)

(м),

где меньшие значения относятся к шахматному расположению нагревателя, а большие - к коридорному (рис. 5); - диаметр отверстий под спираль, м:

, (10)

(м).

Окончательный выбор  значений и производят после излагаемого ниже теплового и аэродинамического расчетов электроконвектора, а также с учетом технико-экономических и эстетических соображений.

 

3.2. Тепловой и аэродинамический  расчеты

электроконвектора.

Определив по методике п.3.1 предварительные габаритные размеры  нагревателя  и , находят внутренние размеры корпуса электроконвектора.

Длину корпуса  выбирают обычно больше длины нагревателя на 50–100 мм в основном из-за переключателя и клеммной коробки,

(м).

Ширину корпуса b выбирают по конструктивным соображениям: как правило, она превышает на 12–14 мм для обеспечения зазора между экраном и корпусом.

(м).

Наиболее  важным является определение высоты корпуса h, от которой зависит тяга электроконвектора, расход воздуха и его температура на выходе. Расчетной служит высота h₀ - от середины нагревателя до выходного сечения (рис.4). Полную высоту корпуса h выбирают больше расчетной высоты на Dh=80¸120 мм.

Основным параметром электроконвектора является температура выходящего воздуха, поэтому цель расчета состоит в установлении зависимости между этой температурой и остальными параметрами.

При установившемся режиме электрические, геометрические, аэродинамические и тепловые параметры электроконвектора связаны с уравнениями общего и внутреннего баланса теплоты, баланса напора, неразрывности и состояния. Решение этой системы уравнений приводят к виду [6]:

. (11)

где Р - потребляемая мощность электроконвектора, Вт;

 Вт/м^2,5;

 Вт/м²;

, Вт/м²;

 Вт/м²;

Т₁ и Т₂ - соответственно входная и выходная температуры воздуха, К;

°С;

- плотность окружающего воздуха, кг/м³ ( =1,205кг/м³);

- средняя удельная теплоемкость воздуха в интервале Dt=DT, Дж/(кг×°С),  =1000 Дж/(кг×°С);

S - площадь поперечного незагроможденного сечения корпуса;

- осредненная степень черноты  поверхности прибора (обычно близка  к 0,9);

- степень черноты нагревательного  элемента (обычно близка к 0,85-0,9);

- приведенный коэффициент гидравлического  сопротивления всего прибора (в большинстве случаев равен 14-18, за исключением сложных схем движения воздуха ; - сумма гидравлических потерь по тракту движения воздуха, м);

- плотность воздуха при средней температуре в приборе, кг/м³;

- средняя скорость воздуха, м/с, ;

- соответственно боковая и  верхняя поверхности прибора, поверхность нагревательного элемента и суммарная площадь входных и выходных отверстий, м².

Расчет по (11) в зависимости  от исходных условий и целей возможен в двух направлениях (проектный и  проверочный расчет).

При проектировании электроконвектора задаются предельно  допустимой температурой , в связи с чем все температурные функции в левой части уравнения (11) превращаются в постоянные коэффициенты, а переменными величинами становятся геометрические параметры и зависящий от них приведенный коэффициент гидравлического сопротивления .

Удобнее в качестве независимых  переменных оперировать с линейными  размерами корпуса: высотой  м, шириной b и длиной l. Далее введем отношение , которым можно задаваться с достаточной определенностью, принимая меньшие значения для штампованных решеток и большие - для прутковых решеток и сеток. Пренебрегая разницей между внутренними и наружными размерами корпуса ввиду относительно малой толщины стенок, получаем с учетом принятого выше:

Поверхность нагревательного  элемента F_н на данном этапе расчета может быть оценена удельной поверхностной мощностью нагревательного элемента , зависящей от его типа и рабочей температуры. Для открытой спирали в электроконвекторах можно рекомендовать Вт/см².

На основании изложенного  и с учетом зависимости  от h, b и l, которую следует определить заранее, уравнение (11) принимает вид:

 (12)

откуда можно найти  все сочетания линейных размеров корпуса электроконвектора, обеспечивающие намеченную температуру выходящего воздуха для заданной номинальной мощности.

Окончательный выбор  требует технико-экономического сравнения  вариантов, основанного на выборе определенных соотношений между размерами корпуса.

В приближенных расчетах можно ограничиться главным (первым) членом формулы (11), заменяя Р на и приближенно оценивая в пределах 0,7–0,85. Тогда уравнение (11) примет вид:

 (13)

При проверочном расчете  по (11) находят  и связанную с ней температуру , а при проектировании задают параметры воздуха и определяют комплекс, определяющий возможные сочетания параметров прибора:

. (14)

Характерным значениям Т₁=293 К и Dt=80°С соответствуют T₂=373 К, кг/м³, =1000 Дж/(кг×°С), откуда в (11) Вт/м^2,5.

Задавшись с некоторым  запасом значением  =0,8, получим:

. (15)

Приведенный коэффициент  гидравлического сопротивления  всего прибора  зависит от сечения S и очень мало от высоты . Характерное для прямоточной схемы конвектора усредненное значение коэффициента составляет =16. Следовательно, (15) имеет две независимых переменных и приводится к виду .

Для удобства расчета  выражение (15) может быть записано в виде:

. (16)

Подставив в (16) и получим:

. (17)

Уравнение (17) решается графически относительно h, для заданной мощности. Результаты расчетов занесены в таблицу 2. По результатам расчета строим зависимость f (h) ,что показано на рис.6.

Таблица 2. Результаты расчета  мощности электроконвектора.

h,м	0,6	0,55	0,5	0,4	0,3	0,25
P,Вт	2419,3	2289,9	2152,6	1847,8	1481,5	1259,1

 

 

 

Рис. 6. Графическое определение  высоты электроконвектора.

 

Полученные размеры  корпуса электроконвектора должны быть увязаны с размерами нагревателя. Коррекция длины может производиться  за счет относительного шага спирали в пределах значений, рекомендованных для открытых спиралей [7] по выражениям (5)-(7). Ширина электроконвектора выбирается на основе соотношений между b, h и l.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В1-выключатель;

Н1-нагреватель;

ЛС1-сигнальная лампа;

R1-резистор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8.Электрическая схема  электроконвектора.

 

Список источников литературы

 

1. Привалов С.В. Электробытовые  устройства и приборы: Справочник  домашнего мастера. –СПб.: Лениздат, 1994. – 511с.

2. Бытовые нагревательные  электроприборы (конструкции, расчеты, испытания) / Варшавський А.С. и др. – М.: Энегроатомиздат, 1981. –328с.

3. Кривошеин И.А. Бытовые  электронагревательные приборы  и установки. – М.: МКФ РСФСР, 1963 – 184с.

4. Миднин Г.Р. Электронагревательные  трубчатые элементы. – М.-Л.: Энергия, 1965 –112 с.

5. Исаченко В.П., Осипова  В.П, Сукомел А.С. Теплопередача.  – М.: Энергия, 1975. – 488с.

6. Шаровский А.В., Варшавский  А.С. Бытовые электроотопительные  приборы. – М.: Энергия, 1975. –120с.

7. К выбору параметров  бытовых электроконвекторов / Г.А. Агапов, А.С. Варшавский, Б.Д. Васильев, А.В. Шаровский. – Электротехническая промышленность. Бытовая Электротехника, 1971, вып. 4, с. 12-13.

8.Чепелюк А.А. Методические указания для курсовой работы по курсу «Основы электробытовой техники » на тему: «Расчет электроконвектора»,- Харьков, НТУ «ХПИ», 2003.