Известно, что изменение напряжения на ЭН приводит к изменению потребляемой им мощности и степени нагрева его спирали. Мощность нагревательного элемента для любого режима можно найти по уравнению
( 15 )
где U - подводимое к нагревателю рабочее напряжение, В;
R - сопротивление спирали нагревателя, Ом.
Следует помнить, что используемые для изготовления спирали ЭН материалы имеют малый температурный коэффициент сопротивления. Поэтому в ряде случаев изменением сопротивления спирали при нагреве можно пренебречь. Испытания, проведенные Всероссйским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), показали, что сопротивление спирали высоковольтного нагревательного элемента типа HHS2-0,5 при нагреве до 800 °С менялось всего на 3-6 %. Пренебрегая влиянием температуры, можно считать, что сопротивление спирали ЭН не меняется при изменении его режима работы. Поэтому изменения мощности нагревателя будут определяться только изменением напряжения. В этом случае из уравнения (15), записанного для номинального напряжения, имеем
( 16 )
Совместное решение уравнения (15) и (16) приводит к результату
( 17 )
позволяющему оценить изменение мощности ЭН при изменении подводимого к нему напряжения. Воспользовавшись им, найдем напряжение, приложенное к каждому ЭН при их последовательном соединении. При этом исходим из того, что напряжение по элементам распределяется равномерно. Тогда напряжение на каждом элементе будет равно
( 18 )
Подставив уравнение (18) в (17), получим выражение для определения мощности, выделяемой каждым ЭН при рабочем напряжении U
( 19 )
На оснавании этого уравнения полная мощность отопительной установки, состоящей из Nc последовательно и Nn параллельно включенных элементов, при напряжении питания Uип составит
Осуществив необходимые преобразования, получим новое выражение
(
20 )
Уравнения (19) и (20) позволяют оценить и увеличение мощности как отдельного элемента (Рмакс) так и всей установки (Рэн.макс) при повышении напряжения источника питания до наибольшего значения Uип.макс.
Определив наибольшую мощность ЭН, необходимо по уравнению (3) найти соответствующую ей наибольшую удельную мощность wмакс и сравнить ее с допустимым значением
wдоп. При выполнении неравенства
Wдоп>wмакс ( 21 )
можно говорить о том, что ЭН будут работать в допустимом режиме.
Если неравенство ( 21 ) не будет удовлетворено, то длительная работа отопления при наибольшем напряжении питания приведет к сокращению срока службы нагревательных элементов. При нежелании мириться с таким фактом нужно или изменить схему включения, добавив в каждую последовательную цепь по одному ЭН, или перейти на новый тип ЭН с более высоким номинальным напряжением. Для того и другого случая потребуется повторение расчета.
Приведем пример расчета выбора нагревательного элемента для калорифера вагона и определить схему их включения. Условия работы: номинальное напряжение питания – 3000 В; температура наружного воздуха – минус 400 С; температура воздуха, подаваемого в вагон 200 С.
Решение.
Мощность элементов калорифера, необходимая для подогрева воздуха, подаваемого в вагон при заданных условиях, должна составлять Рв=17,18 кВт.
Площадь поперечного сечения воздуховода купейного вагона S=0,96x0,25=0,24 м2
Объем наружного воздуха, подаваемого в вагон, составляет для рассматриваемых температурных условий VH=0,21 м3/с
Это лишь 25% воздуха, подаваемого вентиляционной системой. С учетом этого скорость подаваемого воздуха будет равна:
v=VH/0,25 S=0,21/0,25∙0,24=3,5 м/c
Подбираем ТЭН (по таблице 3 приложения 1 методических указаний 14/7/3) с индексами С,Т,Э,Н. Предложим, что по конструктивным требованиям подходят элементы, развернутая длина которого составляет 60-80 см.
Проверим возможность применения для рассматриваемых целей элемента ТЭН-78А13/0,8Т220, имеющего подходящие геометрические размеры. В этом случае на основании уравнений (11, 12 и 13) находим:
Мощность Рэн.к. калорифера, собранного на базе этих элементов при номинальном напряжении источника питания, находим по уравнению (20)
увеличиваясь при наибольшем напряжении до значения
При увеличении мощности одного элемента уравнение (19)
выделяемой каждым нагревателем в
самых тяжелых условиях, его удельная поверхностная мощность составит
Поскольку в данном случае удовлетворяется неравенство (уравнения 21), так как 4,72 Вт/см2 < 5,0 Вт/см2 то расчет можно считать оконченным. Выбранные элементы ТЭН-78А13/0,8Т220 должны включатся по 14 штук последовательно в две параллельные ветви. При невыполнении неравенства (21) приходится подбирать другие элементы и повторять весь расчет.
Понижение напряжения питания вызовет снижение мощности электроотопления и понижение температуры в вагоне. Особенно ощутимы такие понижения в системах с конвективным отоплением (электропечным и электрокалориферным). Для исключения этого явления необходимо увеличить общую мощность отопления. В вагонах с комбинированным отоплением понижение температуры будет меньше за счет аккумулирования тепла в водяной системе. Поэтому в таких системах можно не увеличивать число параллельных цепей ЭН в расчете на кратковременную работу с пониженным напряжением питания.
При использовании методики для расчета и компоновки систем электроотопления, питающихся от трехфазной сети 220/380 В, необходимо обеспечить равномерную загрузку всех фаз. В этих случаях применяют трехфазные схемы включения ЭН, для которых напряжение во всех режимах определяется с учетом схемы включения (звезда, треугольник). Питание нагревательных элементов от трехфазных сетей применяется на пассажирских вагонах с ЦЭС от вагона-электростанции и на промышленных предприятиях.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.