Жесткие контактные нагреватели

Нагреватели выполняются в виде плоских и профильных плит прессов и утюжков.

Часто в качестве нагревательного элемента используют трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) 2, уложенные в пазах корпуса плиты 3 и закрытых пластиной 1 (рис. 4).

Рис. 4. Жесткий нагреватель

Трубчатые электрические нагреватели

Трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) получили широкое распространение в жестких контактных нагревателях, в установках радиационного (длинноволнового лучевого) обогрева, а также для нагрева воздуха, жидкостей и клеев-расплавов. ТЭН представляют собой трубчатую металлическую оболочку 4, внутри которой находится нагревательная спираль 5, запрессованная в специальном наполнителе 6 – плавленной окиси магния (рис 5).

Рис. 5. Трубчатый электрический нагреватель (ТЭН)

 

Спираль 5 герметично заделана в трубку 4 изоляторами 3 и герметиком 7 и подсоединена концами к контактным стержням 1 с шайбами и гайками 2. На рисунке показаны: D – диаметр оболочки, L – развернутая длина оболочки, Lk – заделка контактного стержня, La – активная длина ТЭН. Поверхность трубчатой оболочки ТЭН на длине L a называется активной поверхностью ТЭН.

Нагревательная спираль делается из проволоки диаметром 0,2…1,6 мм из сплава Х20Н80 и Х15Н60. Внешняя трубка выполняется из стали 10 или Х18Н10Т, меди, латуни, алюминия. ТЭН можно согнуть в любую форму в холодном состоянии при условии, что радиус гибки будет меньше 2,5 диаметра трубки. При этом спираль сохранит свое положение по оси внешней трубки.

Наполнитель ТЭН обеспечивает надежную электроизоляцию и имеет большую теплопроводность.

По сравнению с другими нагревателями ТЭН имеет значительные преимущества. Он прост по конструкции, поверхность его не находится под электрическим напряжением. Нагревательная спираль, герметично запрессованная в наполнителе, имеет малый диаметр проволоки и значительный срок службы.

В соответствии с ГОСТ 13268-74 ТЭН изготовляют на напряжения 12; 24; 36; 48; 55; 60; 110; 127; 220; 380 В и номинальные мощности 50; 60; 80; 100; 120; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 3500; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12000; 12500; 16000; 20000; 25000 Вт с развернутой длиной 0,25; 0,30; 0,35; 0,42; 0,50; 0,60; 0,70; 0,78; 0,85; 1,00; 1,20; 1,40; 1,70; 2,00; 2,40; 2,80; 3,50; 4,00; 4,75; 5,60; 6,30 м. Номинальные диаметры ТЭН: 8; 9,5; 10; 12,5; 13; 16 мм.

ТЭН выбирают применительно к конкретной нагреваемой среде (табл. 3). Форма ТЭН может быть разнообразной (рис. 6).

 

Рис. 6. Формы ТЭН

 

 

Таблица 3

Условия работы ТЭН

 

Удельная поверхностн. мощн. Wдоп, 104Вт/м2, не более	Нагреваемая среда	Обозначение обогреваемой среды	Характер нагрева	Материал оболочки
	Вода, слабый раствор щелочей и кислот	Х	Нагревание, кипячение	Медь, латунь
	П	Сталь Х18Н10Т
	Р	Сталь 10; 20
	Ю	Алюминий
2,2	Воздух, газы	С	Спокойная среда при 450°С на оболочке ТЭН	Сталь 10; 20
5,0	Т	Спокойная среда при 450…700°С на оболочке ТЭН	Сталь Х18Н10Т
5,5	О	Скорость воздуха > 6 м/с при 450°С на оболочке ТЭН	Сталь 10; 20
6,5	К	То же при 450…600°С на оболочке ТЭН	Сталь Х18Н10Т
	Э	То же при 450°С	Сталь 10; 20
5,1	Н	То же при 450…650°С на оболочке ТЭН	Сталь Х18Н10Т
	Металлические формы	М	ТЭН залиты в алюминий, нагрев до 200 °С	Сталь 10; 20

 

Расчет нагревательного устройства с использованием ТЭН ведут следующим образом. По выражению (1) находят потребную, а затем установленную мощность. С учетом условий работы ТЭН (табл. 3) определяют минимально допустимую для нагрева площадь поверхности ТЭН, м²:

F_min = P_у/W_доп.

Активная площадь поверхности выбранного одного ТЭН, м²:

F_нагр = pd l _акт × 10^-3,

где d – диаметр ТЭН, мм;

l _акт – активная длина ТЭН, м.

Минимальное количество ТЭН

n = F_min / F_нагр. (14)

Возможен и такой путь:

n = P_у/Р_нагр, (15)

где Р_нагр – мощность одного выбранного ТЭН.

Условные обозначения ТЭН. По ГОСТ 13268-74 ТЭН имеют дробное обозначение. В числителе указывают развернутую длину ТЭН, см; буквенное обозначение длины контактного стержня; диаметр ТЭН, мм. В знаменателе указывают номинальную мощность ТЭН, кВт; буквенное обозначение нагреваемой среды; номинальное напряжение, В.

Пример: ТЭН-25А8/0,8С127, ГОСТ 13268-74.

Длина контактного стержня обозначается следующим образом:

Обозначения	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	З
Длина стержня, мм

 

Применение ТЭН в плитах прессов. С целью замены парового и масляного обогрева плит пресса на электрический обогрев Научнопроизводственное предприятие ОДО “Номакон” (Общество с дополнительной ответственностью) выпускает плиты для гидравлических прессов. Максимальный размер плит 5000 мм ×2000 мм (рис. 7).

Рис. 7. Обогреваемые плиты ОДО “Номакон” для пресса

 

Плиты стальные или из алюминиевых сплавов электрические с нагревательной системой на основе керамико-полимеро-углеродной композиции. Электронагревательные плиты из алюминиевых сплавов позволяют сократить энергопотребление на разогрев плит, уменьшается их толщина и стоимость. По механической прочности каленые алюминиевые сплавы практически не уступают стали.

Нагревательным элементом плит служат ТЭНы, которые не только вставлены в каналы плит, но и залиты керамико-полимеро-углеродной композиционным материалом, который устраняет воздушные зазоры между ТЭН и плитой и повышает теплопроводность.

Радиационные нагреватели

Принцип работы радиационных нагревателей основан на способности излучать инфракрасные (ИК) лучи теплыми телами и поглощать их другими более холодными телами. ИК-излучение есть результат движения молекул вещества, т.е. тепловое излучение. Лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой в лучистую, а затем лучистой в тепловую. В результате лучистого теплообмена тепло передается от более нагретого тела к менее теплому.

Для нагрева используют ИК-лучи с длиной волны от 0,75 до 400 мкм. Коротковолновые ИК-излучатели называют светящимися, а длинноволновые – темными излучателями.

ИК-лучи проникают в древесину на глубину до 2 мм в зависимости от ее породы и влажности. Они несут с собой тепловую энергию, передавая ее нагреваемой древесине.

На рис. 8 показано нагревательное устройство радиационного типа, выполненное в виде панели. Характерной деталью подобных нагревателей является отражательный экран 1 из листа алюминия или оцинкованного железа. Перед экраном расположен источник излучения 2 в виде ТЭН. Благодаря экрану большая часть теплового потока направляется в сторону нагреваемой поверхности. Для уменьшения тепловых потерь на задней стенке панели положен теплоизоляционный слой 3, защищенный корпусом 4. Для безопасности обслуживания излучательная панель закрыта защитной сеткой 5.

Рис. 8. Излучательная панель с ТЭН

 

 

С увеличением температуры излучателя тепловой поток возрастает. Особенно эффективно протекает процесс теплового излучения при температуре нагревательного тела 400°С.

На практике используют ТЭН с температурой на поверхности 300…700°С. Ресурс таких устройств, относящихся к группе “темных” излучателей, доведен до 20000 часов.

Предельно допустимая удельная поверхностная мощность при передаче тепла излучением для идеального нагревателя, т.е. нагревателя, работающего без тепловых потерь, может быть найдена по следующему выражению, Вт/м²:

, (16)

где Т_{нагр. макс.} и Т_изд - температуры нагревателя и изделия, К;

e_нагр и e_изд – относительные коэффициенты лучеиспускания материалов нагревателя и изделия соответственно (табл. 4);

F_изд – тепловоспринимающая площадь поверхности изделия, м²;

F_ст – площадь поверхности стены, занятой нагревателями, м².

Площадь поверхности нагревательных элементов (ТЭН, проволоки нагревательной спирали), м²:

. (17)

Таблица 4

Относительный коэффициент лучеиспускания e

для некоторых материалов

 

Материал	Параметр
T,°С	e
Алюминий полированный....... Алюминий с шероховатой поверхностью. Железо листовое, оцинкованное..... Нихромовая проволока чистая...... Нихромовая проволока окисленная.... Сталь шлифованная или полированная.. Сталь, листовой прокат........ Сталь с шероховатой плоской поверхностью Асбестовый картон.......... Асбестовая бумага........... Гипс................. Древесина строганная......... Лак белый.............. Масляные краски различных цветов... Резина твердая............	50…500 20…50 500…1000 50…500 750…1100 40…400 40…100	0,04…0,06 0,06…0,07 0,28 0,71…0,80 0,95…0,98 0,52…0,61 0,56 0,95…0,98 0,96 0,94…0,93 0,8…0,9 0,8…0,9 0,8…0,95 0,92…0,96 0,95

 

Пример. Рассчитать радиационный нагреватель на базе ТЭН для обогрева деревянных склеиваемых поверхностей размерами L = 1000 мм, B = 600 мм. F_изд / F_ст = 0,9. Температура изделия t_изд = 150°С, нагревателя t_нагр = 450°С; e_нагр = 0,56; e_изд = 0,8.

Решение. Отношение m = L/B = 1000/600 =1,7. Удельная поверхностная мощность нагревателя w = 3,3 кВт/ м². Мощность нагревателя Р = 10^-6wBL = 10^-6× 3,3 × 600 × 1000 = 1,98 кВт. Установленная мощность Р_у = 1,98 × 1,3 = 2,57 кВт. Предельно допустимая удельная поверхностная мощность

Вт/м².

Площадь поверхности ТЭН, м²:

F ³ P_у/W_доп ³ 2,57 × 10³/2,532 × 10⁴ ³ 0,1 м².

Выбираем ТЭН-100Б8/0,63С220, ГОСТ 13268-74. Поверхность одного ТЭН: F1 = pdL = 3,14 × 8 × 10^-3 ×1 = 0,02512 м². Необходимое количество ТЭН: n = F/F₁ = 0,1/0,02512 = 4.

Вывод. На панели с размерами 600 ´1000 мм² рекомендуется равномерно разместить 4 ТЭН длиной 1000 мм, диаметром 8 мм и подключить их параллельно к источнику переменного тока напряжением 220 В.

В качестве тепловых ИК-излучателей используют также кварцевые трубчатые нагреватели мощностью до 2,5 кВт, позволяющие создавать интенсивность излучения до 62 кВт/м², а в кратковременном режиме – до 1600 кВт/м². Они малоинерционные и удобны для прерывистой подачи энергии.

Для нагрева применяют также лампы накаливания с параболическими посеребренными колбами мощностью 250…500 Вт.

 

Задания

Выполнить проект нагревательного устройства для ускорения процесса склеивания древесины. Используя научно-техническую информацию (патенты, интернет и др.), выбрать технологическую схему нагревателя. В РПЗ вычертить компоновочную схему нагревателя с указанием размеров, описать конструкцию и порядок работы. Выполнить расчет параметров нагревателя, составить программу расчета в Excel.

Исходные данные принимаются из таблицы по номеру варианта (номер варианта задания соответствует номеру фамилии в журнале преподавателя).

Расчетно-пояснительную записку выполнить в соответствии с требованиями стандарта предприятия УГЛТУ СТП3-2001.

Исходные данные

для проектирования нагревателя

№ варианта	Тип нагревателя	Размеры: длина× ширина, мм	Температура, °С
изделия	нагревателя
	Гибкий	1000×40	-
	Гибкий	1200×50	-
	Гибкий	1500×60	-
	Гибкий	1700×80	-
	Гибкий	1850×100	-
	Гибкий	2000×500	-
	Гибкий	1850×400	-
	Гибкий	1700×350	-
	Гибкий	1500×300	-
	Гибкий	1250×250	-
	Жесткий	2550×1350	-
	Жесткий	2650×1750	-
	Жесткий	3300×1700	-
	Жесткий	2680×1350	-
	Жесткий	2000×1000	-
	Жесткий	2500×1550	-
	Жесткий	1800×7500	-
	Радиационный	2550×400
	Радиационный	3300×300
	Радиационный	2680×250
	Радиационный	2000×400
	Радиационный	2500×180
	Радиационный	1800×500
	Радиационный	1500×450
	Радиационный	1250×600

 

Литература

Глебов И.Т., Новоселов В.Г. Оборудование для склеивания древесины. Екатеринбург: УГЛТУ, 2000. – 142 с.

 

 

Оглавление

Введение. 3

1. Преимущества электрических нагревателей. 4

2. Классификация нагревательных устройств. 5

3. Нагреватели. 9

3.1. Гибкие контактные нагреватели. 9

3.2. Жесткие контактные нагреватели. 15

3.3. Трубчатые электрические нагреватели. 15

Условия работы ТЭН.. 18

3.4. Радиационные нагреватели. 20

4. Задания. 23

Оглавление. 25