Нагрівання рухомого повітря та інших газів

Для нагрівання повітря, що рухається, та інших газів найчастіше застосовуються оребрені ТЕНи. Ребра значно збільшують площу поверхні нагрівача. У зв'язку з цим прискорюється передача тепла повітря, що нагрівається. Потужність на одиницю поверхні Тена може бути збільшена в 4-4,25 рази. При цьому температура оболонки оребренного нагрівача буде нижчою, ніж у неоребренного ТЕНу таких же розмірів та потужності. Ця обставина, своєю чергою, позитивно впливає на термін служби нагрівача. Ребристі ТЕНи більш безпечні в експлуатації, ніж нагрівачі без ребра, оскільки ризик займання горючих частинок в потоці повітря зводиться до мінімуму. Застосування оребрених ТЕНів дозволяє сконцентрувати в нагрівальній установці більшу потужність і робить її більш ефективною.

Конструкція оребренного ТЕНу відрізняється від стандартної лише наявністю ребер у вигляді гофрованої стрічки з вуглецевої або нержавіючої сталі, навитої поверх трубчастої оболонки та привареної до неї. Відстань між ребрами та їх розмір оптимізовано з погляду найкращої тепловіддачі. Оребрені ТЕНи можуть мати різну конфігурацію і забезпечуватися різноманітними кріпильними елементами.

Ми виготовляємо оребрені ТЕНи, як у стандартному виконанні, так і за кресленнями та зразками замовника. Завжди готові допомогти у вивченні можливої ​​проблеми електронагріву і запропонувати найбільш ефективне конструктивне рішення.

Рекомендації з експлуатації:

1. Уникати пошкодження ребер

2. Забезпечити належний потік повітря. Напрямок потоку має бути паралельним площині ребер.

3. Контроль температури в гарячій точці установки

Застосування

• Для нагрівання повітря до 100-140 градусів використовуються нагрівачі з вуглецевої сталі. Для більш високих температур (до 280 0С) та за наявності в повітрі агресивних домішок використовують ТЕНи з нержавіючої сталі. При цьому ТЕНи із вуглецевої сталі можуть працювати при температурі на поверхні оболонки до 400 0С, а ТЕНи із нержавіючої сталі до 650 0С

• Для кондиціонерів можливість запалення пального пилу зведена до мінімуму.

• У сушильних камерах забезпечується плавне нагрівання виробів, рівномірний розподіл температури.

• У печах полімеризації, запікання та сушіння органічних смол та фарби

• У пакувальних машинах стабільне розсіювання теплової енергії запобігає перегріву пакувальних матеріалів.

• У харчовому устаткуванні.

Вибір матеріалу оболонки

Стандартні сталеві оребрені нагрівачі ідеально підходять для використання в системах із чистим сухим повітрям за низької температури. Ребристі нагрівачі з нержавіючої сталі слід використовувати для більш високих температур або якщо повітря або газ містять пари, що викликають корозію сталі.

Максимальна температура:

• Сталеві ребра на сталевій оболонці – до 400°C

• Сталеві ребра на оболонці з нержавіючої сталі - 400°C

• Ребра із нержавіючої сталі на оболонці з нержавіючої до 650°C

Герметизація ТЕНів

Як ізоляційний матеріал у трубчастих нагрівачах використовується оксид магнію (MgO), що має гарну теплопровідність і діелектричну міцність. Однак MgO є гігроскопічним і може поглинати вологу з атмосфери. У процесі виробництва кожен ТЕН проходить приймально-здавальні випробування у відповідність до ГОСТ 13268-88. Опір ізоляції становить кілька тисяч МОм. Однак у процесі транспортування та зберігання, залежно від рівня вологості та тривалості, ТЕН може поглинати вологу. Це є причиною зниження опору ізоляції і може бути виявлено за допомогою мегаомметра при перевірці нагрівача безпосередньо перед першим включенням. Якщо опір ізоляції виявиться менше 0.5 МОм, ТЕН слід просушити в духовці при температурі 150° до відновлення його показань до прийнятного рівня. При експлуатації ТЕН за умов підвищеної вологості рекомендується додаткова герметизація торців високотемпературним силіконовим герметиком. Максимальна допустима температура вузла герметизації не повинна перевищувати 200°C.

Рекомендації щодо вибору ТЕНів.

Основними факторами, які необхідно враховувати при виборі трубчастих нагрівачів з ребра, є:

• Температура повітря на вході

• Температура повітря, що виходить

• Стан повітря або газу, що нагрівається (тиск, наявність пари і т.п.)

• Розміри повітряного каналу

• Розрахункова потужність у кВт та необхідна кількість нагрівальних елементів

• Мінімальна швидкість повітряного потоку на вході в нагрівальну установку

• Вибір УПМ ТЕН

• Вибір матеріалу оболонки

• Датчики температури та регулятори потоку.

Розрахунок потужності нагрівання

Якщо температура повітря на вході та виході, витрата та робочий тиск відомі, можна визначити необхідну для цього процесу потужність.

Потужність, необхідна для нагрівання газу, що знаходиться за нормальних умов, на температуру ∆T, розраховується за формулою:

Q0= V0 *Cp0*∆T x K,

Де: V0 - витрата повітря, що знаходиться за нормальних умов, [м3/c]

C0 - питома теплоємність повітря або іншого газу за нормальних умов [Дж/(кг*0С)]

∆T - підвищення температури в °К

K - коефіцієнт запасу

Нормальними умовами прийнято вважати тиск газу Р0=101.325 кПа та його температуру T0=0 ºС (273.2 К).

Оскільки на практиці доводиться мати справу з газами, що знаходяться за робочих умов, що характеризуються робочими температурою та тиском, для розрахунків необхідно привести робочу витрату повітря до нормальних умов.

V0= Vp * T0* P /(( T0+T)* P0),

Де

Vp - витрата повітря, що знаходиться за робочих умов [м3/c]

Т – робоча температура на вході в нагрівальну установку [К]

 P – робочий тиск газу

Т0 – нормальна температура на вході в нагрівальну установку [К] (T0=273.2 К)

 P0 – нормальний тиск газу (P0=101.325 кПа)

Розрахунок швидкості повітря

Після цього можна розрахувати швидкість повітря в нагрівальній установці за стандартних умов v0[м/c].

v0= V0/ S,

Де

S – площа перерізу потоку повітря [м2]

Вибір УПМ та матеріалу оболонки ТЕН

По швидкості повітря в нагрівачі, температурі повітря на вході та максимальній бажаній температурі на виході, можна визначити максимальну УПМ нагрівальних елементів. Геометричні розміри установки визначатимуть конфігурацію та загальну кількість нагрівальних елементів. Для 3-х фазного ланцюга необхідно збалансувати потужність фаз.

Максимальна УПМ ТЕНів має бути обрана таким чином, щоб максимальна температура на поверхні оболонки не перевищувала гранично допустиму для даного матеріалу оболонку. (400°C для ТЕНів з вуглецевої та 650°C з нержавіючої сталі)

Наведені нижче графіки допоможуть правильно вибрати УПМ.

Графік 1. Максимально допустима УПМ залежно від температури повітря, що виходить, при його різній швидкості.

Температура ТЕНу 400°C.

Приклад 1.

Необхідно отримати на виході нагрівача повітря за температури 140 ºС зі швидкістю 2.8 м/с. Провівши вертикально пряму з точки на осі абсцис, що відповідає температурі 140 ºС, до перетину з кривою, що відповідає швидкості повітря 2.8 м/с, знайдемо на осі ординат значення УПМ, що дорівнює 9 Вт/см2. Якщо потрібна вища температура повітря на виході або швидкість повітряного потоку нижче, необхідно вибрати нижчу УПМ. Наприклад, якщо потрібно отримати температуру повітря на виході 260 ºС при тій же швидкості, то значення УПМ ТЕНу не повинно перевищувати 5.3 Вт/см2.

Графік 2. Максимальна температура повітря, що виходить, залежно від швидкості повітря та УПМ

УПМ:     Крива 1 - 11,6 Вт/см2        Крива 2 - 9,3 Вт/см2      Крива 3 - 7 Вт/см2       Крива 4 - 4,65 Вт/см2

Графік 3 показує залежність температури оболонки ТЕН від УПМ при різних швидкостях повітря, що надходить за температури 27 ºС. Криві побудовані з урахуванням передачі тепла шляхом примусової конвекції та випромінювання. Дані отримані в ході лабораторних досліджень для компактно розташованих оребрених ТЕН з діаметром оболонки 8 мм і 10 мм. ТЕНи встановлені перпендикулярно потоку повітря, що дозволяє конвективним поперечним потокам повітря повністю омивати всю довжину частини ТЕН, що нагрівається. Щоб використовувати графік для випадку гарячого вхідного повітря, потрібно брати суму температури повітря та температуру оболонки ТЕН, отриману за температури 27 ºС. Графік може бути використаний для визначення максимально допустимої УПМ ТЕНів, що допускають роботу за температури оболонки вище 400ºС

Графік 3. Температура оболонки ТЕН залежно від УПМ при різних швидкостях повітря, що входить

Приклад 2. Необхідно відповісти на запитання, чи можна використовувати оребрені ТЕНи з нержавіючої сталі з УПМ 12.7 Вт/см2 для нагрівання повітря в печі рециркуляційної до 260 ºС при швидкості повітря 4.9м/с. По кривій відповідної 4.9 м/с та УПМ 12.7 Вт/см2 визначимо температуру оболонки 370 ºС. Різниця температури навколишнього середовища та необхідної температури становить 234ºС (260ºС-27 ºС). Температура оболонки при температурі повітря 260 ºС приблизно 604ºС (370ºС+234ºС). Це всього на 450ºС нижче за гранично допустиму температуру для нержавіючої сталі складової 650 ºС. Щоб продовжити термін служби ТЕНів, краще використовувати ТЕНи з меншим значенням УПМ, враховуючи конструктивні обмеження нагрівальної установки. Також можна розглянути варіант з використанням потужнішого вентилятора для збільшення швидкості повітря. Можливе також використання ТЕНів з нержавіючої сталі без ребер, при цьому УПМ таких ТЕНів має бути приблизно в 4.25 рази нижче, ніж у оребрених.