金属电热元件的计算

金属电热元件的计算
计算电热元件前，应给出炉子的安装功率、供电线路电压、电热元件材料和电热元件的联接方式。

一、计算公式
电热元件的尺寸按下表所列顺序进行计算。

电热元件尺寸计算表
注：a------电阻带厚度（mm）；b------电阻带宽度（mm）；
d------电阻丝直径（mm）；m------b/a=5~18；
g------每米元件重量（kg/m）；U------线电压（V）；
P------安装功率(kW)；
W y ------元件允许的单位表面功率（W/cm2）；
ρ20、ρt------20℃及t℃时元件的电阻系数（Ω•mm2/m）。

电热元件有螺旋线、波形线、波形带三种不同结构形式。

1.螺旋线电热元件尺寸
每圈螺旋线长度l q=πD (mm)
每相电热元件圈数n=1000L x/l q
螺旋节距S=L l/n (mm)
式中：L l ------螺旋线长度，即炉内安装每相螺旋线的总长度(mm);
L x------每相电热元件的长度(m)，见上表；
D------螺旋平均直径(mm)。

2.波形线电热元件尺寸
每一波纹长度l b=2(πh/cosθ+H-2h/ cosθ) (mm)
每相电热元件波纹数n=1000L x/l b
波形线波距S=L b/n (mm)
式中：H------波纹高度(mm)；
h------波纹弧高(mm)；
L b------波形线长度，即炉内安装每相波形线的总长度（mm）。

3.波形带电热元件尺寸
每一波纹长度l b=2(πr+H-2r)（mm）
每相电热元件波纹数n=1000L x/l b
波形带波距S=L b/n (mm)
式中：H------波纹高度(mm)；
r------波纹弯曲半径(mm)；
L b------波形带长度，即炉内安装每相波形带的总长度（mm）。

二、例题
室式电阻炉炉膛尺寸为：长×宽×高＝1200mm×850mm×800mm，最高工作温度950℃，安装功率为66kW，采用0Cr25Al5螺旋线电热元件，星形接法，供电线路电压380V，求电热元件尺寸。

解：根据炉膛尺寸，在炉膛两侧墙和炉底各安装一相电热元件。

炉墙相功率P x=P/3＝66/3=22kW，相电压U x=U/√3=380/√3=220V,相电阻R x=U x2/103P x =2202/22×103=2.2Ω，炉温950℃时电热元件温度考虑为1100℃。

由查表知，0Cr25Al5的电阻系数ρt＝1.511Ω•mm2/m，电热元件允许的单位表面功率选定为W y＝1.6W/cm2，由上表计算
电热元件的直径为
d=34.43√P x2ρt/U x2W y=34.43√222×1.511/2202×1.6＝7.3mm≈7.5mm
电热元件长度
L x=R x A/ρt =2.2×0.785×7.52/1.511≈65m
电热元件实际单位表面功率
W b=103P x/πdL x=103×22/3.14×0.75×6500＝1.44 W/cm2（＜W y，合适)
螺旋直径D=8×7.5=60mm (取D/d=8)
每圈螺旋线长度l q=πD=3.14×60=188.4mm
电热元件圈数n=1000L x/l q =1000×65/188.4=345
距炉口400mm的一段炉膛将其表面热负荷提高25%，在此段内安放135圈布置6层，其余800mm一段炉膛安放210圈，同样布置6层。

螺旋节距S1=L l/n =6×400/135＝17.8mm（长400mm炉膛）
S2=L l/n =6×800/210＝22.8mm（长800mm炉膛）炉底采用耐热钢底板，炉底一相电热元件的单位表面功率降低20%，W y＝1.6×0.8＝1.28W/cm2。

炉底电阻元件直径为d=34.43√P x2ρt/U x2W y=34.43√222×1.511/2202×1.28＝8mm
电热元件长度L x=R x A/ρt =2.2×0.785×82/1.511＝73.6m
电热元件实际单位表面功率W b=103P x/πdL x=103×22/3.14×0.8×7360＝1.19 W/cm2（＜W y，合适＝
螺旋直径D=8×8=64mm (取D/d=8)
每圈螺旋线长度l q=πD=3.14×64=200.96mm
螺旋圈数n=1000L x/l q =1000×73.6/200.96=365
螺旋节距S=L/n =6×1200/365＝19.7mm（长1200mm炉膛）。