Как найти мощность нагревательного элемента

Расчет мощности тэна, необходимой для поддержания заданной температуры в том или ином помещении,

рассмотрен в п.1 «Справочных данных».

1. Для проверки соответствия данных маркировки реальным параметрам

ТЭН необходимо проверить его сопротивление Омметром в горячем виде. В этом случае можно пренебречь различными коэффициентами.
Р=U*U/R,
где P — мощность, которую необходимо найти, Вт;
U — рабочее напряжение, В;
R — измеренное сопротивление тэн в горячем виде, Ом.
Например:
Напряжение в сети 220 Вольт, измеренное сопротивление равно 22 Ом. Тогда мощность тэна имеет значение: Р=220*220/22=2200 Вт=2.2 кВт.

2. Для расчета времени за которое тэн нагреет воду, используем формулу теплодинамики.

При этом для простоты будем считать, что окружающая среда, переходные процессы, емкость и т.д. не влияют на нашу систему ТЭН — жидкость:
А=С(T1-T2)m,
где А  -работа, которую необходимо проделать, чтобы изменить температуру жидкости массой «m» с Т1 до Т2.
С — удельная теплоемкость жидкости;
и формулу работы электрического тока:
А=Рt,
где А — работа электрического тока,
Р — мощность установки (в нашем случае — ТЭНов), Вт,
t — время работы электрического тока, сек.
Пример: За какое время тэн мощностью 2.0 кВт согреет воду массой 1.0 кг. с 20 до 80 градусов?
Справочное данное: С для воды = 4200 Дж/кг*градус.
С(Т1-Т2)m=Рt, отсюда t=C(T1-T2)m/P=4200*(80-20)*1.0/2000=126 секунд.
Ответ: вода массой 1.0 кг нагреется тэном мощностью 2 кВт с 20 до 80 градусов за 2 минуты и 6 секунд.

3.Подбор обогревательного устройства с оптимальной мощностью.

Мощность обогревателя определяет его способность поддерживать определенную температуру в помещении. Вторая величина, от которой это зависит, — объем помещения. При этом есть одно условие — теплоизоляция помещения должна быть приемлемой для данной климатической зоны.
Для стандартной высоты жилых помещений в России в 2.2-2.5 метра соотношение мощности к площади равна 1:10, т.е. нагреватель мощностью 1 кВт может обогреть помещение в 10 кв. метров.
Если высота помещения превышает указанное выше значение, тогда необходимо использовать поправочный коэффициент. Например, если высот помещения 3 метра, тогда: К = 3 метра/2.5 метра=1,2. Т.е. в этом случает соотношение мощности прибора и отапливаемой площади будет 1,2 кВт : 10 квадратных метров.

4. Зависимость объема теплоносителя (жидкости) системы отопления от мощности.

Приблизительный расчет объема теплоносителя системы отопления можно произвести используя следующее соотношение: для отопительной системы с котлом мощностью 1кВт требуется 15 литров теплоносителя. Соответственно объем отопительной системы с котлом мощностью 10 кВт приблизительно составит 150 литров.+
Данные, полученные при таком подсчете объема теплоносителя в системе отопления, не учитывают особенностей конкретной отопительной системы и являются всего лишь приблизительными

При покупке нового тэна, или ремонте/обслуживании старого, желательно проверить его мощность. Данный показатель может указать нам на износ тэна, например. Хорошо, если вы знаете мощность тэна, заявленную производителем. Если после вычислений окажется, что тэн потерял в мощности, это уже звоночек к его замене. Итак:

Для того, чтобы вычислить мощность тэна, нужно вооружиться мультиметром. Поставить его в режим измерения сопротивления. И в первую очередь, измерить сопротивление самого прибора. Для этого прислоните щупы друг к другу. Как правило, вы увидите значение в диапазоне около 1-1,5 Ом. Это сопротивление щупов, дорожек на плате прибора и тд. Это значение нам при расчётах понадобится отнять от сопротивления самого тэна, чтобы вычисления мощности были как можно более правдивыми. Поэтому запоминаем его.

Далее, берём щупы мультиметра и прислоняем к выводам тэна. Там уже сопротивление может быть совершенно разным, это будет зависеть от мощности тэна и его исправности. Ну, например, прибор показал сопротивление тэна 37 Ом. Зная ранее полученные данные мы можем воспользоваться формулой:

P=U2/R

То есть, мощность (P) по переменному току равна = напряжение в квадрате делить на сопротивление тэна.

Подставим наши значения:

Пусть сопротивление прибора 1,5 Ом,

сопротивление тэна 38 Ом,

тогда

P=220*220/(38-1,5)=1326 или около 1,3кВт

Данные брал от потолка, просто для примера.

Если вы знаете заявленную производителем мощность и полученные вами данные оказались намного меньше, значит тэн либо уже пришел в негодность, либо скоро выйдет из строя и уже сейчас стоит задумать о его замене.

Любой онлайн или офлайн магазин бытовой техники предлагает купить водонагреватели самых разных типов. Но не все эти агрегаты подходят для эксплуатации на даче или в небольшом загородном доме с нестабильным электроснабжением. В этом случае систему нагрева воды можно собрать самостоятельно. Главное — знать, как рассчитать мощность ТЭНа.

Если не уделить этому моменту должного внимания, можно столкнуться с целым комплексом проблем. Либо нагрузка на электросети превысит допустимые пределы, либо на нагрев даже небольшого объема воды потребуется несколько часов.

Какую мощность ТЭНа выбрать для водонагревателя?

Самый простой вариант предполагает использование стандартной формулы:

 P=0,0011m(tk-tн)/T

Для работы с ней необходимо знать:

• начальную (tн) и конечную температуру воды (tк);
• массу жидкости. Для воды считается, что 1 литр весит ровно 1 кг;
• время предполагаемого нагрева (T).

Некоторой проблемой может стать определение исходной температуры воды. Потребуется специальный термометр. Если его нет, можно исходить из следующих предположений:

• зимой в городской черте вода, пока доходит до конечного потребителя, прогревается до 12–15 0С. При наличии индивидуальной системы водоснабжения, запитанной из колодца или скважины, базовая температура не превысит 5–6 0С;
• летом вода в трубах бывает если не горячей, то достаточно теплой (до 20–22 0С в зависимости от региона).

Нужно отметить, что данная формула не учитывает множество внешних факторов. Например, напряжение в сети может отличаться от стандартных 220 В. Если оно ниже, на нагрев потребуется больше времени. Не принимается в расчет и конструкция бойлера, температура внешней среды.

Есть и еще один важный момент! Данная формула актуальна как для одного ТЭНа, так и для нескольких, соединенных параллельно.

Как рассчитать мощность ТЭНа по сопротивлению и напряжению?

В документации к нагревательному элементу всегда значится номинальная мощность. Но она может существенно отличаться от реальной. Если есть такие сомнения, их можно проверить. Для этого потребуется мультиметр. С его помощью замеряют сопротивление на концах спирали.

Далее остается проверить информацию по таблице ниже:

Остается решить, как рассчитать мощность ТЭНа, если в одной системе последовательно соединены несколько нагревательных элементов.

Здесь придется вспомнить школьный курс физики и последовательно поработать с формулами:

1. Расчет силы тока. Для этого номинальную мощность (обязательно в ваттах) делят на напряжение в сети. Например, I = 3500 / 220 = 15,91 А.
2. Расчет сопротивления. Теперь уже напряжение нужно разделить на силу тока. В нашем случае получаем 220/15,91 = 13,83 Ом.

Если ТЭНов два, они имеют одинаковые параметры, то для определения их совместной мощности остается разделить напряжение в квадрате на сумму сопротивлений. Для приведенных расчетов получим: 220*220/ (13,83+13,83) = 1750 Вт.

Как рассчитать мощность ТЭНа, зная сопротивление при параллельном соединении?

В данном случае не требуются долгие расчеты. При параллельном подключении мощность ТЭНов не теряется. Для получения суммарной мощности достаточно сложить данные отдельных приборов.

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

3600 – постоянная;

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

3600 – постоянная;

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. 

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.;

3,14 – постоянная;

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:

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.

ВАЖНО!!!

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.