Плотность мощности является полезным показателем при выборе различных типов доступных нагревательных элементов. Компания Технонагрев производит промышленные нагревательные элементы, которые используются на экструдерах, термопластавтоматах, формовочном оборудовании, в сушильных печах, гальванических ваннах, варочных котлах, печах и прочем оборудовании. Мы изготавливаем нагреватели с открытыми спиралями для конвекционного нагрева, нагревательные элементы контактного типа, а также бесконтактные инфракрасные излучатели.
Эта статья будет относиться конкретно к удельной мощности и элементам открытой греющей спирали, которая является основой большинства типов нагревателей.
Что такое плотность мощности?
Плотность мощности определяется как мощность нагревательного элемента, деленная на активно нагреваемую площадь поверхности элемента. Если бы вы взяли учебник по физике в разделе о теплопередаче, мощность / площадь поверхности определяется как тепловой поток. Но термин плотность мощности нашел широкое применение в отрасли нагревательных элементов. В России обычно используются единицы измерения: [Ватт] / [мм] ². В других странах часто встречается [Ватты] / [дюймы] ².
Плотность мощности = мощность / площадь поверхности = тепловой поток
Ниже представлено схематическое отображение, которое можно использовать, чтобы объяснить значение плотности мощности. На картинке видно, как размещается мощность по поверхности.
В чем полезность плотности мощности?
Плотность мощности - полезная мера для прогнозирования относительной температуры нагревательного элемента при сравнении различных альтернатив. Рабочая температура элемента является важным фактором эффективности теплопередачи и срока службы.
Есть три режима теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Миканитовые плоские и кольцевые нагреватели, патронные ТЭНы, гибкие силиконовые нагреватели передают тепло предметам за счет теплопроводности. Керамические ик излучатели и кварцевые ТЭНы используют излучение. Элементы с открытой спиралью, такие как керамические сухие ТЭНы, канальные ТЭНы, спирали для печей, нагревают воздушный поток за счет принудительной конвекции. Принудительная конвекция имеет место, когда поток газа проходит по поверхности с температурой, отличной от температуры потока газа. Основным уравнением конвективной теплопередачи является закон охлаждения Ньютона.
Q / A = h (ΔT)
где;
Q = мощность [ватт]
h = коэффициент конвекции [Ватт / (мм² · ° С)]
h = f (V), функция в первую очередь от скорости воздуха
A = площадь поверхности [мм²]
ΔT = разница температур между поверхностью и потоком газа [° С]
ΔT = (T поверхность - T воздух )
Левая часть этого уравнения - плотность мощности. В правой части уравнения у нас есть коэффициент конвекции (h), умноженный на разницу температур между поверхностью и потоком воздуха (ΔT). Коэффициент конвекции в первую очередь зависит от скорости воздушного потока. К сожалению, вычислить коэффициент конвекции может быть немного сложно. Сложность явления легко вывести из многочисленных эмпирических уравнений, использованных для вычисления этой величины. Кроме того, на практике скорости воздуха через нагревательный элемент редко бывают одинаковыми, что также усложняет расчеты.
Пример использования
Однако с помощью этого уравнения мы все же можем получить некоторую полезную информацию с минимальными усилиями. Например, у нас имеется инженер-конструктор, которому поручено пересмотреть продукт, в котором используется комбинация обогреватель / вентилятор. Существующая система нагрева имеет вентилятор 2,8 кубических метров в минуту и нагреватель мощностью 500 Вт, 120 В и удельной мощностью 4,6 Вт / см².
Маркетинговый отдел определил, что наша компания может получить большую долю рынка, если использовать обогреватель мощностью 1000 Вт, как у конкурента. Нагреватель мощностью 1000 Вт 120 В имеет удельную мощность 7 Вт / см².
Допустим мы хотим оставить такую же воздуходувку, если это вообще возможно. С одним и тем же нагнетателем мы можем предположить, что скорость воздуха, по существу, одинакова, и, следовательно, (h) одинаково для обоих случаев. Мы также знаем, что T air входящий воздух имеет комнатную температуру, независимо от того, используем ли мы элемент мощностью 500 Вт или 1000 Вт. Зная, что можно мгновенно определить температуру поверхности провода элемента мощностью 1000 Вт, T поверхность , будет работать при более высокой температуре.
Мы можем сделать еще один шаг вперед с минимумом математики и информации, чтобы оценить: «Насколько горячее?». Мы не знаем, какая температура поверхности катушки, Т поверхность , в существующем нагревателе на 500Вт. Но если мы сделаем обоснованное предположение, все равно можно оценить и почувствовать, насколько горячее будет работать элемент мощностью 1000 Вт. Предположим, что температура греющей спирали T sur1 находится где-то между 300 ° С и 500 ° С.
Q / A = h (Т поверхность - Т воздух )
Нагреватель 1, 500 Вт, 4,6 Вт / см²
Если T sur1 = 300 ° С
Если T sur1 = 500 °
Нагреватель 2, 1000 Вт, 7 Вт / см²
T sur2 = 460 ° С, увеличение на 53%
T sur2 = 780 ° С, увеличение на 56
Поскольку T воздуха обычно мало по сравнению с поверхностью T , становится очевидным, что первоначальную оценку повышения температуры можно получить просто по соотношению плотностей мощности.
(Q / A) 2 / (Q / A) 1 ≈ T sur2 / T sur1
Заключение
Плотность мощности нагревателя с открытой спиралью быстро дает представление о том, как он будет работать. Специальные продукты Технонагрев обычно ограничивают удельную мощность для случаев с принудительной конвекцией до 9 Вт / см². Однако, если скорость воздуха высока или воздух направлен непосредственно на спирали удельная мощность может достигать 17 Вт / см².
