Найпростіші електричні розрахунки нагрівальних елементів
Електронагрівачі широко використовуються в побутових електроприладах: чайниках, прасках, камінах, плитках, паяльниках і т. д. Теплова дія струму. При проходженні електричного струму через нерухомі металеві провідники єдиним результатом роботи струму є нагрівання цих провідників, і, отже,за законом збереження енергії вся робота, виконана струмом, перетворюється на тепло.
Робота (у джоулях), що здійснюється струмом під час проходження його через ділянку ланцюга, обчислюється за такою формулою:
де U - напруга,; I – сила струму, А; t-час, с.
Кількість теплоти (Дж), виділена у провіднику при проходженні по ньому електричного струму, пропорційна квадрату сили струму, опору провідника та часу проходження струму та обчислюється за законом Джоуля - Ленца:
де R – опір провідника, Ом.
Зробимо розрахунок кількості теплоти, необхідної для того, щоб закип'ятити воду в чайнику, що вміщає 2 л. Напруга мережі U = 220 В. Струм, споживаний електрочайником, I = 4 А. Визначити вре-
закипання води в чайнику, якщо ККД його 80% і початкова температура води 20° С.
Вихідні дані: U = 220; I=4 А; m=2 кг; ККД = 0,8; t = 20 ° С; tкіп = 100 ° С. Питома теплоємність води С = 4200.
Визначимо кількість теплоти, необхідне нагрівання води до температури кипіння.
Qпол = cm (tкіп - t0) = 4200 * 2 (100 - 20) = 672000 Дж.
Визначимо загальну кількість теплоти, яку має виділити нагрівальний елемент електрочайника, з урахуванням втрат на нагрівання кераміки, корпусу чайника та зовнішнього середовища:
Визначимо час закипання води у чайнику:
Звідси знаходимо t;
Потужність електричного струму. Знаючи роботу, яка здійснюється струмом за деякий проміжок часу, можна розрахувати і потужністьструму, під якою, як і механіці, розуміють роботу, здійснювану за одиницю часу. З формули, що визначає роботу постійного струму А = U//t, випливає, що потужність його (Р) дорівнює:
Нерідко говорять про потужність електричного струму, що споживається від мережі, бажаючи цим висловити думку, що за допомогою електричного струму (за рахунок струму) нагріваються праски, електроплитки тощо.
Відповідно до цього на приладах нерідко позначається їхня потужність, тобто потужність струму, необхідна для нормальної дії цих приладів. Так, наприклад, для нормальної роботи електроплитки на 220 В потужністю 500 Вт потрібно струм близько 2,3 А при напрузі 220 (2.3 * 220 = 500).
На практиці застосовують більші одиниці потужності: 1 гВт (гектоватт) = 100 Вт та 1 кВт (кіловатт) = 1000 Вт.
Таким чином, 1 Вт є потужність, що виділяється струмом 1 А в провіднику між кінцями якого підтримується напруга 1 В.
Одиниця роботи, яка здійснюється електричним струмом протягом 1 с за допомогою 1 Вт, називається ват-секундою, або інакше джоулем. Застосовують і більші одиниці роботи: 1 гектоватт-година (гВт * год) або 1 кіловат-година (кВт * год), який дорівнює роботі, що здійснюється електричним струмом протягом 1 год при потужності 1 кВт.
Довжину та діаметр дроту нагрівального елемента розраховують виходячи з величини напруги мережі та заданої потужності нагрівального елемента. Сила струму при даній напрузі та потужності визначається за формулою:
омічний опір провідника завжди обчислюється за формулою:
Знаючи величину струму, можна знайти діаметр та переріз дроту.
Основні дані для розрахунку нагрівальних елементів