Меню

Мощность нагревателя через температуру



Расчет мощности и габаритов электрического нагревателя

Расчет электрических и геометрических параметров электронагревателя определяется, принимая во внимание множество нюансов. Для корректного расчета мощности электронагревателя необходимо знать теплофизические свойства нагреваемой среды, такие как плотность и теплоемкость, вязкость и теплопроводность. Однако, для общего понимания процесса расчета нагревательного оборудования, в данной статье мы приведем несколько формул и объясним основные принципы расчета нагревателей.

РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ МОЩНОСТИ

В зависимости от типа нагрева (статический или динамический), формулы расчета мощности несколько отличаются.

Расчет мощности нагревателя для нагрева жидкости в резервуаре достаточно точно может быть произведен по следующей формуле:

P= ((V* ρ * Сp* (Т2-T1)/(3600* t)) +К, где

P – мощность электрического нагревателя, кВт;

V – нагреваемый объем в литрах;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

Сp – удельная теплоемкость жидкости, кДж/ кг °С;

Т1 – начальная температура жидкости, °С

Т2 — требуемая температура жидкости, °С

t – требуемое время нагрева, ч;

К – коэффициент запаса (%). Величина коэффициента определяется температурой окружающей среды и толщиной теплоизоляции резервуара. Значения коэффициента принимаются в диапазоне 5….25%.

По данной формуле можно достаточно точно рассчитать требуемую мощность для нагрева жидкости в резервуаре. Если же необходимо рассчитать мощность прочного подогревателя жидкости или газа , то данная формула примет следующий вид:

P= ((V* ρ * Сp* (Т2-T1)/(3600) +К, где

P – мощность электрического нагревателя, кВт;

V – нагреваемый объем нм3/ час;

ρ – плотность нагреваемой среды, кг/м3;

Сp – удельная теплоемкость нагреваемой среды, кДж/ кг °С;

Т1 – температура на входе в подогреватель, °С

Т2 — требуемая температура на выходе из подогревателя, °С

К – коэффициент запаса (%). Величина коэффициента определяется температурой окружающей среды и толщиной теплоизоляции сосуда. Значения коэффициента принимаются в диапазоне 5….25%.

В качестве примера произведем расчет мощности проточного подогревателя для нагрева воздуха с расходом 3000 нм3/час от +5ºС до +40ºС при рабочем давлении 1 атм., тогда:

P = 3000 x 1,24 x 1,05 x (40-5)/ 3600 = 37, 98 кВт

Данной мощности 38 кВт будет достаточно только при идеальных условиях. Под идеальными условиями подразумевается отсутствие теплопотерь, падения напряжений, а также абсолютная точность при изготовлении никель-хромовой спирали нагревательных элементов. К сожалению, на практике идеальных условий не бывает, поэтому в случае стабильного напряжения и расположения подогревателя в отапливаемом помещении, будет достаточно принять запас 10% — тогда требуемая мощность подогревателя составит 42 кВт. Если же напряжение питания нестабильно и оборудование располагается на улице при температуре до -50ºС, то рекомендуется принять запас по мощности не менее 25% — тогда мощность подогревателя должна быть порядка 48 кВт. Если пренебречь запасом мощности и принять только мощность, необходимую на процесс нагрева, то есть вероятность, что подогреватель не сможет выйти на рабочий режим и осуществить подогрев воздуха до +40ºС.

РАСЧЕТ ГАБАРИТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Габариты нагревателя определяются исходя из количества нагревательных элементов и погружной длины. Данные параметры зависят от расхода, требуемой температуры нагреваемой среды и от мощности нагервателя. Количество ТЭН и погружная длина подбирается исходя из допустимой удельной мощности. Чем выше температура нагреваемой среды, тем ниже должна быть удельная мощность нагревательных элементов, во избежание перегрева и выхода оборудования из строя. Также, при расчете габаритов нагревателя нужно учитывать, что в случае нагрева до температур выше +100ºС между монтажным фланцем обязательно нужно предусматривать холодную хону от 100 до 400 мм, во избежание перегрева клеммной коробки. Величина холодной зоны определяется температурой нагреваемой среды.

УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ТЭН

Определяющим параметром, влияющим на габариты изделия является удельная мощность нагревательных элементов, которая измеряется в Вт/см2 т.е. сколько Вт энергии выделяется с 1 см2 поверхности нагревательных элементов. От данного параметра зависят окончательные размеры оборудования — чем удельная мощность выше, тем габаритные размеры подогревателя будут меньше. Но нужно понимать, что нельзя бесконечно увеличивать удельную мощность чтобы сделать нагреватель меньше, тем самым уменьшив его стоимость. Слишком высокая удельная мощность ведет к увеличенной температуре на поверхности нагревательных элементов и сокращению срока службы изделия. Удельная мощность также зависит от диаметра нагревательных элементов. Так при одинаковой мощности и длине, у нагревательного элемента ø16 мм удельная мощность будет меньше, чем у нагревательного элемента ø10 мм.

Читайте также:  Мощность напряжение ток для переменного тока

Удельная мощность нагревательного элемента рассчитывается по следующей формуле:

W = P/n х 3.14 х Ø х L, где

W — удельная мощность (Вт/см2);

P — мощность нагревательного элемента, Вт;

n — количество нагревательных элементов в подогревателе, шт.;

Ø — диаметр нагревательного элемента, см;

L — развернутая рабочая длина нагревательного элемента, см;

В качестве примера, возьмём вышеописанный подогреватель воздуха, мощностью 42 кВт. Предположим, что он состоит из 12 U-образных нагревательных элементов диаметром 10 мм с погружной длинной 2000 мм, из которых 200 мм холодной (ненагреваемой) длины. Рассчитаем удельную мощность нагревательных элементов:

W = 42000/ 12 x 3,14 x 1 х 360 = 3, 09 Вт/ см2

В случае невысоких температур нагрева, можно принять удельную мощность нагревательных элементов по следующей таблице:

нагрев воздуха до температуры +100 и более градусов, нагрев мазута и битума, дизельного топлива, нефти, нагрев термального масла до +300 С

подогрев антифриза с концентрацией более 50%, подогрев термального масла, подогрев воздуха до +80. 90 С, подогрев природного газа

подогрев щелочных растворов, подогрев антифриза с концентрацией до 50%

подогрев воды, проточный подогрев антифриза с концентрацией до 30%

нагрев воды в проточном режиме в больших объемах, электрические парогенераторы.

Указанные в таблице значения являются ориентировочными, более точным является подбор удельной мощности по температуре нагревательных элементов.

ТЕМПЕРАТУРА НА ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Температура на поверхности нагревательных элементов зависит от удельной мощности и расхода нагреваемой среды, но также на нее влияют теплофизические свойства нагреваемой среды и температура на выходе из подогревателя. Если использовать один и тот же проточный нагреватель для нагрева воды и воздуха, то в первом случае температура нагревательных элементов будет меньше т.к. жидкости обладают большей теплоемкостью и лучше снимают тепло с нагревательных элементов. Точный расчет температуры нагревательных элементов производится с помощью специального софта, который учитывает все геометрические параметры нагревателя, количество нагревательных элементов, удельную мощность, тип нагреваемой среды, требуемую температуру и давление. Вручную рассчитать температуру нагревательных элементов без знания углубленного курса теплофизики практически невозможно. Существуют методики определения температуры ТЭН для статического нагрева жидкости, температура ТЭН в данном случае имеет некую зависимость от удельной мощности и температуры нагреваемой среды, но данные методики не являются точными и имеют определенную погрешность. Определив необходимую удельную мощность и рассчитав температуру нагревательных элементов, мы можем понять какие габариты будут у нашего изделия и рассчитать его стоимость.

Если Вы не имеете опыта расчетов подобного оборудования — настоятельно рекомендуем Вам обратиться в наш технический отдел т.к. при неправильном выборе параметров для общепромышленного оборудования Вы рискуете стабильностью его работы и процесса нагрева. Если же речь идет о расчетах взрывозащищенного оборудования, то данные расчеты могут быть выполнены только специалистами т.к. помимо нестабильной работы, при неправильном определении параметров нагревателя есть риск спровоцировать взрывоопасную ситуацию на объекте. Специалисты компании ООО «СИСТЕМЫ ПОДОГРЕВА» имеют специализированное ПО и огромный опыт в данной области. Расчет и подбор оборудования может быть осуществлены в течение 1- 2 рабочих дней.

Читайте также:  Формула для среднего значения мощности за период

Источник

Тепловая мощность и суммарные потери теплоэнергии

author

Для создания комфорта в жилых и производственных помещениях выполняют составление теплового баланса и определяют коэффициент полезного действия (КПД) отопителей. Во всех расчётах применяется энергетическая характеристика, позволяющая связывать нагрузки источников обогрева с расходными показателями потребителей — тепловая мощность. Вычисление физической величины производится по формулам.

тепло

Для вычисления тепловой мощности используются специальные формулы

Эффективность нагревателей

Мощность — это физическое определение скорости передачи или потребления энергии. Она равна отношению количества работы за определённый промежуток времени к этому периоду. Нагревательные устройства характеризуются по расходу электричества в киловаттах.

Для сопоставления энергий различного рода введена формула тепловой мощности: N = Q / Δ t, где:

  1. Q — количество теплоты в джоулях;
  2. Δ t — интервал времени выделения энергии в секундах;
  3. размерность полученной величины Дж / с = Вт.

В этом видео вы узнаете, как рассчитать количество теплоты:

Для оценки эффективности работы нагревателей используют коэффициент, указывающий на количество израсходованного по назначению тепла — КПД. Определяется показатель делением полезной энергии на затраченную, является безразмерной единицей и выражается в процентах. По отношению к разным частям, составляющим окружающую среду, КПД нагревателя имеет неравные значения. Если оценивать чайник как нагреватель воды, его эффективность составит 90%, а при использовании его в качестве отопителя комнаты коэффициент возрастает до 99%.

Объяснение этому простое: из-за теплообмена с окружением часть температуры рассеивается и теряется. Количество утраченной энергии зависит от проводимости материалов и других факторов. Можно рассчитать теоретически мощность тепловых потерь по формуле P = λ × S Δ T / h. Здесь λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К); S — площадь участка теплообмена, м²; Δ T — перепад температур на контролируемой поверхности, град. С; h — толщина изолирующего слоя, м.

Из формулы понятно, что для повышения мощности надо увеличить количество радиаторов отопления и площадь теплоотдачи. Уменьшив же поверхность контакта с внешней средой, минимизируют потери температуры в помещении. Чем массивнее стена здания, тем меньше будет утечка тепла.

Баланс отопления помещений

Подготовка проекта любого объекта начинается с теплотехнического расчёта, призванного решить задачу обеспечения сооружения отоплением с учётом потерь из каждого помещения. Сведение баланса помогает узнать, какая часть тепла сохраняется в стенах здания, сколько уходит наружу, объём потребной выработки энергии для обеспечения комфортного климата в комнатах.

Определение тепловой мощности необходимо для решения следующих вопросов:

формулы

  1. высчитать нагрузку отопительного котла, которая обеспечит обогрев, горячее водоснабжение, кондиционирование воздуха и функционирование системы проветривания;
  2. согласовать газификацию здания и получить технические условия на подключение к распределительной сети. Для этого потребуются объёмы годового расхода горючего и потребность в мощности (Гкал/час) тепловых источников;
  3. выбрать оборудование, необходимое для отопления помещений.

Не забываем про соответствующую формулу

Из закона сохранения энергии следует, что в ограниченном пространстве с постоянным температурным режимом должен соблюдаться тепловой баланс: Q поступлений — Q потерь = 0 или Q избыточное = 0, или Σ Q = 0. Постоянный микроклимат поддерживается на одном уровне в течение отопительного периода в зданиях социально значимых объектов: жилых, детских и лечебных учреждениях, а также на производствах с непрерывным режимом работы. Если потери тепла превышают поступление, требуется отапливать помещения.

Технический расчёт помогает оптимизировать расход материалов при строительстве, снизить затраты на возведение зданий. Определяется суммарная тепловая мощность котла сложением энергии на отопление квартир, нагрев горячей воды, компенсацию потерь вентиляции и кондиционирования, резерв на пиковые холода.

Расчет тепловой мощности

Выполнить точные вычисления по системе отопления затруднительно для неспециалиста, но упрощённые способы позволяют рассчитать показатели неподготовленному человеку. Если производить расчеты «на глаз», может получиться, что мощности котла или нагревателя не хватает. Или, наоборот, из-за избытка вырабатываемой энергии придётся пускать тепло «на ветер».

Читайте также:  Какую мощность потребляет электрический чайник

Способы самостоятельной оценки характеристик отопления:

  1. Использование норматива из проектной документации. Для Московской области применяется величина 100-150 Ватт на 1 м². Площадь, подлежащая обогреву, умножается на ставку — это и будет искомый параметр.
  2. Применение формулы расчета тепловой мощности: N = V × Δ T × K, ккал/час. Обозначения символов: V — объём комнаты, Δ T — разница температур внутри и снаружи помещения, K — коэффициент пропускания тепла или рассеивания.
  3. Опора на укрупнённые показатели. Метод похож на предыдущий способ, но используется для определения тепловой нагрузки многоквартирных зданий.

Значения коэффициента рассеивания берут из таблиц, пределы изменения характеристики от 0,6 до 4. Примерные величины для упрощённого расчёта:

Материал стен К-т пропускания тепла
Неутепленный металлопрофиль 3―4
Доска 50 мм 2,5―3,5
Кладка в 1 кирпич с минимальной изоляцией 2―3
Стандартное перекрытие, двери и окна, перегородка в 2 блока 1―2
Стеклопакеты, керамитовый контур с теплоизолом 0,6―0,9

Пример расчета тепловой мощности котла для помещения 80 м² с потолком 2,5 м. Объём 80 × 2,5 = 200 м³. Коэффициент рассеивания для дома типовой постройки 1,5. Разница между комнатной (22°С) и наружной (минус 40°С) температурами составляет 62°С. Применяем формулу: N = 200 × 62 × 1,5 = 18600 ккал/час. Перевод в киловатты осуществляется делением на 860. Результат = 21,6 кВт.

Полученную величину мощности повышают на 10%, если существует вероятность морозов ниже 40°С / 21,6 × 1,1 = 23,8. Для дальнейших вычислений результат округляется до 24 кВт.

Источник

Определение мощности нагрева.

C-Bell Научный сотрудник Улан-Удэ 1681 1261

Порой возникает необходимость определения мощности нагревателя.
В случае, если нагреватель электрический, определить мощность можно измерив протекающий ток или сопротивление нагревателя.
Что же делать, если нагреватель газовый (дровяной, угольный, керосиновый, солнечный, геотермический и пр.)?
Да и в случае электрического нагревателя может не быть возможности измерить ток/сопротивление.
Поэтому предлагаю метод определения мощности нагревателя с помощью термометра, литрометра (весов) и часов (таймера, секундомера), то есть приборов, которые почти наверняка найдутся в арсенале самогонщика.

Определенное количество воды m залить в кастрюлю и измерить начальную температуру (T1).
Установить на разогретый нагреватель, засечь время. Через определенное время t снять показания термометра (T2).
Рассчитать мощность:
P = 4,1868*m*(T2-T1)/t

Таким способом определил мощность конфорки своей печки в среднем положении переключателя мощности.
Залил в кастрюлю 3 литра = 3000 грамм воды
Установил таймер на t = 10 минут = 600 секунд
Начальная температура воды T1 = 12,5°C
Температура при срабатывании таймера T2 = 29,1°C

Расчет:
Для нагрева 1 грамма воды на 1°C необходимо количество энергии в 1 калорию или 4,1868 джоуль;
Затраченная на нагрев трех литров воды энергия E = 3000*(29,1-12,5) = 49800 калорий = 208502,64 джоулей;
Мощность — это количество энергии, подводимой за промежуток времени.
P = 208502,64/600 = 347,5044 ватт;

Если предположить теплопотери в 10%, то истинная мощность конфорки составит порядка 400 ватт или 0,4 киловатт.

Пока излагал, подумалось, что точность определения можно повысить, немного изменив эту методу для компенсации теплопотерь.
Холодная вода из крана имеет начальную температуру ниже температуры окружающей среды, поэтому отбирает энергию, пока эти температуры не сравняются. При дальнейшем нагреве вода начинает нагревать окружающую среду.
Таким образом, нужно измерить начальную температуру воды (T1)и температуру окружающей среды (Tср) и нагрев вести, отметив время, до компенсационной температуры
T2 = Tср + (Tср — T1) = 2* Tср — T1

Измерив время t, за которое происходит нагрев воды массой m до компенсационной температуры, определяем мощность по уже известной формуле:
P = 4,1868*m*(T2-T1)/t

Источник