Простейшие электрические расчеты нагревательных элементов

Электронагреватели широко используются в бытовых электроприборах: чайниках, утюгах, каминах, плитках, паяльниках и т. д. Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно,по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.

Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении его через участок цепи, вычисляется по формуле:

Работа (в джоулях), совершаемая током - выражение для расчета

где:

  • U - напряжение, В;
  • I - сила тока, А;
  • t- время, с.

Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля - Ленца:

Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока - формула для расчета

где R - сопротивление проводника, Ом.

Произведем расчет количества теплоты, необходимой для того, чтобы вскипятить воду в чайнике, вмещающем 2 л. Напряжение сети U=220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I= 4 А. Определить время закипания воды в чайнике, если КПД его 80% и начальная температура воды 20° С.

Исходные данные:

  • U=220 В;
  • I=4 А;
  • m=2 кг;
  • КПД=0,8;
  • t=20° С;
  • tкип = 100° С.
  • Удельная теплоемкость воды С=4200.

Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения.

Qпол = cm (tкип - t0) = 4200 * 2(100 - 20) = 672 000 Дж.

Определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:

общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника - выражение для расчета

Определим время закипания воды в чайнике:

 время закипания воды в чайнике - формула

Отсюда находим t;

 время закипания воды в чайнике - пример расчета

Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, так же как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока А = U//t, следует, что мощность его (Р) равна:

Мощность - расчетная формула

Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой от сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока (за счет тока) нагреваются утюги, электроплитки и т. д.

В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих приборов. Так, например, для нормальной работы электроплитки на 220 В мощностью 500 Вт требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 В (2.3 * 220 = 500).

На практике применяют более крупные единицы мощности: 1 гВт (гектоватт) = 100 Вт и 1 кВт (киловатт) = 1000 Вт.

Таким образом, 1 Вт есть мощность, выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.

Единица работы, совершаемой электрическим током в течение 1 с при помощи 1 Вт, называется ватт-секундой, или иначе джоулем. Применяют и более крупные единицы работы: 1 гектоватт-час (гВт*ч) или 1 киловатт-час (кВт*ч), который равен работе, совершаемой электрическим током в течение 1 ч при мощности 1 кВт.

Длину и диаметр проволоки нагревательного элемента рассчитывают исходя из величины напряжения сети и заданной мощности нагревательного элемента. Сила тока при данном напряжении и мощности определяется по формуле:

Сила тока - выражение для расчета

омическое сопротивление проводника всегда вычисляется по формуле:

омическое сопротивление проводника - формула

Зная величину тока, можно найти диаметр и сечение проволоки.

Основные данные для расчета нагревательных элементов:

Допустимая сила
тока, А
1 2 3 4 5 6 7
Диаметр нихромовой
проволоки при
температуре 700° С, мм
0,17 0,3 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85
Площадь поперечного
сечения проволоки, мм2
0,0227 0,0707 0,159 0,238 0,332 0,442 0,57

Подставляя полученные значения в формулу:

длина проволоки - расчетная формула

где: l - длина проволоки, м; S - сечение проволоки, мм^2; R - сопротивление проволоки, Ом; р-удельное сопротивление проволоки (для нихрома р = 1,1, для фехраля р =1,3), Ом*мм^2/м, получим необходимую длину проволоки для нагревательного элемента.

Пример. Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью Р = 600 Вт при напряжении сети U = 220 В.

пример расчета

По этим данным находим диаметр и сечение проволоки: d= 0,45 мм, S = 0,159 мм^2. Тогда длина проволоки будет равна:

длина проволоки - пример расчета

Точно так же можно рассчитать нагревательные элементы и для других электронагревательных приборов.

Примечание. При эксплуатации электрорадиотехнической аппаратуры необходимо знать сечение монтажных проводов - в зависимости от величины проходящего по ним тока. В таблице приведены максимально допустимые токи нагрузки для медных проводов различного сечения.

Допустимые токи нагрузки медных проводов (монтажных):

Параметр Сечение провода, мм^2
0,05 0,07 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1 1 ,5 2 2,5 4 6 10
Наибольший
допустимый
ток, А
0,7 1 1,3 2,5 3,5 4 5 7 10 14 17 20 25 30 54

Литература: В. Г. Бастанов. 300 практических советов, 1986г.

0
1675
Добавить комментарий