5. Розрахунок електронагрівача

В НДУ нагрівач служить для підвищення температури теплоносія до заданого значення .

Найбільш простий й економічний нагрівач - це труба, по якій протікає теплоносій, а по стінці труби пропускають електричний струм. Проходження струму безпосередньо через стінку дозволяє одержати теплові потоки в широкому діапазоні. ЕН цього типу набутили широкого застосування в практиці теплофізичного експерименту [4].

Масова витрата теплоносія в ЕН дорівнює витраті в ДЕ

(6.24)

Максимальна потужність електронагрівача, Вт:

. (6.25)

Електронагрівач повинен нагрівати теплоносій без утворення парової фази, тому що попадання парорідинної суміші з ЕН на вхід в ДЕ може неконтрольовано впливати на результати експерименту.

Початок кипіння теплоносія на виході з ЕН можна визначити по [15] залежно від визначальних факторів. Для води

, (6.26)

де q_пк – щільність теплового потоку, при якій на виході з каналу починається процес кипіння, Вт/м²; - коефіцієнт гідравлічного опору для води при температурі насичення,

; (6.27)

d_вн – внутрішній діаметр труби ЕН.

Діаметр d_ен, товщину стінки й матеріал труби вибирають відповідно до рекомендації п. 6.4. 1.

Масова швидкість в ЕН, кг/(м²∙с):

(6.28)

Значення питомої теплоємності с_p , Дж/(кг∙К), динамічної в'язкості , Па∙с, , коефіцієнта поверхневого натягу, Н/м, коефіцієнта теплопровідності , Вт/(м∙К), щільності пари , кг/м³ , для підстановки в рівняння (6.26) беруть при температурі насичення при заданому тиску.

У рівнянні (6.26) температуру насичення Т_S варто підставляти в градусах Кельвіна, К; теплоту випару r , Дж/кг; недогрів теплоносія на виході з ЕН до температури насичення - в градусах Кельвіна, К, (зазначений у завданні).

(6.29)

Довжина ЕН при обраному , м:

. (6.30)

Визначимо зовнішній діаметр електронагрівника, розрахував товщину стінки на міцність.

6. Вибір джерела живлення електронагрівача

Джерелом електроживлення ЕН при використанні постійного струму може бути спеціальний низьковольтний генератор або низьковольтний трансформатор при використанні змінного струму.

Напругу постійного струму низьковольтного генератора легко регулювати, управляючи збудженням генератора.

Для регулювання напруги змінного струму, що подається на ЕН, доцільно використати автотрансформатор, що допускає плавне регулювання вхідної напруги на низьковольтному трансформаторі.

Вибір джерела живлення визначається максимальною потужністю N_ен і максимальною силою струму.

Для цього визначимо електричний опір електронагрівача:

(6.31)

Максимальна сила струму, яку споживає електронагрівач

, (6.32)

де d₂ – зовнішній діаметр труби електронагрівника, м; - питомий електричний опір матеріалу труби ЕН при середній температурі стінки, Ом∙м;

Розрахуємо середню температуру стінки методом наближень

(6.33)

де – температура теплоносія на виході з ЕН, ⁰С; - коефіцієнт теплообміну в трубі ЕН, визначається по (6.12), Вт/(м²∙К); - перепад температури в стінці ЕН, ⁰С:

(6.34)

q_v – об'ємна щільність теплового потоку в стінці ЕН, Вт/м²;

; (6.35)

- теплопровідність матеріалу труби ЕН.

У першому наближенні величину можна визначити по температурі [16, табл. 3.9] або по таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 – Коефіцієнт теплопровідності сталі 12Х18Н9Т

Т, К	300	400	600	800	1000	1200	1400
λ, Вт/(м∙К)	14,5	16,5	18,5	21,5	25,0	25,8	28,0

Після визначення в першому наближенні слід уточнити значення й знову обчислити , закінчивши його розрахунок, коли різниця між двома обчисленими наближеними значеннями складе 2...3 ⁰С.

Розрахуємо довжину труби електронагрівача, схема якого показана на рис. 6.9

Рис. 6.9 – Cхема електронагрівача

(6.36)

Падіння напруги на ЕН

(6.37)

Використовуючи , необхідно вибрати джерела електроживлення по [17] або з табл. 6.1

Таблиця 6.1 – Джерела живлення для НДУ

Вид струму	Марка джерела струму	Номінальне значення
		I, кА	U, B	N, кВт
Постійний	Генератор АНГ-90	2,5	36	90
		5,0	18	90
	Генератор АНД-60	5,0	12	60
		10,0	8	60
	Генератор АСГ-50	2,08	24	50
		1,04	48	50
	Випрямна установка ВАК-10000	10	100	1000
	Зварювальні випрямлячі:
	ВСК-500-1	0,5	40	28
	ВДУ-1001-УЗ	1,0	66	105
	ВДУ-1601-УЗ	1,6	66	165
	ВДМ-3001	5,0	60	317
	Випрямлячі для дугового зварювання
	ВДГ-1001	1,0	66	105
	ВР-1000	1,0	48	75
	ВСЖ-1600	1,6	65	96
Змінний	Зварювальні трансформатори
	ТД-503В2	0,5	40	26,5
	ТСК-500	0,5	30	32
	ТДФ-100В3	1,0	56	130
	ТДФ-1800	1,8	70	215
	ТДФЖ-2002	2,0	76	260
	ТТСД-1000-3	1,0	42	150
	ТШС-3000-1	3,0	46	140
	А-1006	5,0	69	615
	ТШС-10000-1	10	41	410
	ТШП-1	21	36	760