Расчет печей сопротивления для нагрева воздуха

Расчет печей сопротивления для нагрева воздуха.

Расход воздуха V=32м³/час

Начальная температура t_н=150°С

Конечная температура t_к=300°С

Расчет:

Запишем тепловой баланс печи

где -общий тепловой поток, подводимый к системе;

-тепловой поток переданный воздуху;

-потери теплоты в окружающую среду;

(принимаем 3% от )

Общий тепловой поток подводимый к системе равен подводимой электрической мощности.

Тепловой поток подводимый к воздуху можно записать:

где -тепловой поток, переданный воздуху от нагревателя;

- тепловой поток, переданный воздуху от наружной стенки печи;

где  и  - коэффициенты теплоотдачи от нагревателя и наружной стенки, соответственно;

 и -площади нагревателя и наружной трубы печи;

-средняя температура воздуха;

С другой стороны тепловой поток, переданный к воздуху можно записать:

где -плотность воздуха при 150°С 

теплоемкость воздуха 

Определим коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху.

где Nu-критерий Нуссельта;

λ-коэффициент теплопроводности воздуха;

d_э-эквивалентный диаметр сечение потока;

При течении в прямых трубах и каналах для турбулентного режима (Re>10⁴) для газов справедлива формула:

S-площадь поперечного сечения потока;

П - смоченный периметр

Принимаем следующую конструкцию печи. Корпус печи выполнен из стальной трубы. Внутри корпуса, вдоль его оси, расположен нагревательный элемент в виде керамической трубки с размещенной на ней спиралью. Воздух движется в пространстве кольцевого сечения между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью керамической трубки.

Для кольцевого сечения имеем:

Скорость воздуха при заданном расходе составит:

Внутренний диаметр корпуса.

Наружный диаметр корпуса.

Уточним скорость воздуха.

Критерий Рейнольдса.

Средняя температура

Критерий Прантля при 225°С  Pr=2.96/2.с563.рис.XII/

Определяем критерий Нуссельта

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи.

Определение длины печи.

Воздух получает тепло от внутренней стенки корпуса и наружной стенки нагревателя за счет конвективного теплообмена, Наружная стенка нагревателя получает теплоту за счет лучеиспускания. Теплообмен в такой системе описывается следующими уравнениями:

Коэффициент взаимоизлучения для нашего случая определяется по формуле:

С₁ и С₂-коэффициенты излучения поверхностей нагревателя и корпуса.

С₁=5,67ε₁  С₂=5,67 ε₂

Степень черноты материалов нагревателя и корпуса  ε₁=0,8  и   ε₂=0,85

Учитывая          

Задаемся средней температурой t₁=300°С 

Определяем температуру стенки t₂

Решаем графически.

t2	f(t2)
80	-45517,2
99	-39565,2
100	-39251,7
150	-23553,5
200	-7795,47
250	8036,519
300	23958,03

Согласно графику t₂=228°С 

Определяем длину нагревателя

Электрический расчет нагревателя

Подключим нагреватель «Звездой», тогда мощность на одну фазу составит:

По номограмме [1] определяем эффективную поверхностную мощность ω_эф=11(Вт/см²)

Находим диаметр проволоки:

Принимаем материал спирали-нихром

Удельное сопротивление в горячем состоянии  ρ_э=1,13омм/м    /2.c513.т.V/

принимаем d=8мм

Длина проволоки в одном витке:

Длина провода на фазу:

Определяем шаг спирали:

Расчет изоляции.

В качестве изоляционного материала принимаем Винипласт

Теплопроводность λ_из=0,163Вт/м*К

Определяем коэффициент теплопередачи от горячего воздуха в окружающую среду:

Q_н=Q₀-Q_в=259946,25-252375=7571,25

С другой стороны

α₁-коэффициент теплоотдачи от нагреваемого воздуха к стенке корпуса

α₂-коэффициент теплоотдачи от наружной стенки в окружающую среду.

Принимаем температуру поверхности изоляции t_пов=190°С