Назначение. Изучить устройство и принцип действия резистивных электронагревателей

Изучить устройство и принцип действия резистивных электронагревателей. Научиться производить их энергетическую оценку.

Краткие теоретические положения

К электронагревателям резистивного действия относятся все электронагреватели, в основу которых положено выделение тепла при прохождении тока через проводник, обладающий омическим сопротивлением Q = I²Rt (Джоулево тепло). Это и электрическая плитка, электрокамин, нагревательные провода и кабели, токопроводящие плёнки, трубчатые электронагреватели (ТЭНы) и др. За счёт теплопроводности выделенное в проводнике тепло передаётся нагреваемому продукту.

Из конструктивных соображений проводник (рабочее тело) должен иметь возможно меньшую длину и большее сечение и, кроме того, он должен нагреваться до возможно большей температуры для обеспечение интенсивной передачи тепла нагреваемому продукту. Поэтому он должен обладать большим удельным сопротивлением и выдерживать высокую (до 1000 ^оС) температуру. В качестве таких проводников лучше всего подходят нихром и фехраль и в меньшей степени –обычная конструкционная сталь.

Допустим, что по техническим требованиям на электрической плитке необходимо осуществлять нагрев 10 литров (0, 01м³) воды от Т_х = 10 до Т_г = 100 ^оС за время t, равное одному часу (3600 секунд). Коэффициент полезного действия электроплитки h = 0, 6, напряжение питания U = 220 В. Определим геометрические размеры спирали электроплитки, выполненной из нихрома. С этой целью находим:

1. количество тепла, ушедшего на повышение температуры воды

Q_в = cρ V(Т_г - Т_х) = 4186∙ 1000∙ 0.01(100-10) = 3767400 Дж; (7.1)

где с – удельная теплоёмкость воды, Дж/кг∙ град;

ρ – плотность воды, кг/м³;

V – объём воды, м³;

2. количество тепла, которое должна выделить спираль электроплитки

Q_c = Q_в + Q_п = Q_в/h = 3767400/0, 6 = 6279000 Дж, (7.2)

где Q_п – потери тепла в окружающее пространство при его передаче от спирали к сосуду с водой;

3. мощность электроплитки

Р = Q_c/t = 6279000/3600 = 1744 Вт; (7.3)

4. потребляемый из сети ток

I = P/U = 1744/220 = 7, 93 А (7.4)

(по опытным данным при таком токе проволока спирали сечением 0, 6 мм² (6∙ 10^{-5 м2}) нагреется до 800 ^оС);

5. сопротивление проволоки при 800 ^оС

R₈₀₀ = U/I = 220/7, 93 = 27, 75 Ом; (7.5)

6. сопротивление проволоки при 20 ^оС

R₂₀ = R₈₀₀/(1 + a(800 – 20)) = 27, 75/(1 + 0, 000165(800 – 20)) = 27, 88 Ом, (7.6)

где ά – температурный коэффициент сопротивления, равный приросту сопротивления проводника величиной в 1 Ом при нагреве его на 1 градус. Для нихрома он равен 1, 65∙ 10^-4 1/^оС;

7. длину проволоки спирали

L = R₂₀ S/ρ ₂₀ = 27, 88∙ 6∙ 10^-5/1, 1∙ 10^-6 = 15, 2 м. (7.7)

Задание

Снять зависимость температуры нагрева воды от времени нагрева и определить коэффициент полезного действия электроплитки.

Порядок выполнения задания

Изучаем устройство и состав экспериментальной установки

Рассмотреть устройство и все его элементы по наглядному пособию и плакату.