504 电加热管研发实例-气体电加热管设计计算
504 电加热管研发实例-气体电加热管设计计算
背景
加热气体的翅片式电加热管的常用管型有绕片管、穿片管、轧片管等。
绕片管、穿片管的翅片与管之间为减少接触热阻，还可以考虑胀接、镀锌、高频焊、激光焊、钎焊等。
翅片厚度通常0.2mm～0.5mm，绕片管的钢带（绕片）典型宽度如6mm～10mm等，穿片管的成型翅片典型尺寸如25mm*50mm、30mm*60mm等。
翅片间距随自然对流或强制对流换热、翅片高度等不同而变化范围可较大，如5mm～10mm等。
自然对流加热气体计算
自然对流是指气体受热后因密度变小上升产生的自然流动。
此处取翅片采用不锈钢，翅片厚度0.4mm，高6mm，间距6mm，取空气与翅片表面的自然对流换热系数为6W/(m2.℃)，不锈钢热导率取18W/(m.℃)，翅片表面黑度0.9。
取电加热管的外管直径12mm，外管表面温度400℃，被加热气体温度100℃。
利用上一篇的计算软件，可得翅片下、中、上部温度分布如下。
上述温度下，每米长度翅片的加热功率约为：
Q1=6*8*10-6*(392.54-100)
+0.9*0.15*5.67*8*10-6*((392.54+273)/100)4
=0.01404+0.01201
=0.02605W
Q2=6*8*10-6*(380.79-100)
+0.9*0.35*5.67*8*10-6*((380.79+273)/100)4
=0.01348+0.02611
=0.03959W
Q3=6*8*10-6*(374.18-100)
+0.9*0.5*5.67*8*10-6*((374.18+273)/100)4
=0.01316+0.03581
=0.04897W
每米长翅片加热功率约为：
Q=(1000/2)*(Q1+Q2+Q3)
=500*(0.02605+0.03959+0.04897)
=57.30W/m
设电加热管长度1000mm，翅片缠绕圈数约：
1000/6=166圈
按翅片外周计算，则一圈翅片周长约：
3.14*(0.012+0.006+0.006)
=0.07536m/圈
电加热管缠绕翅片总长度约：
166*0.07536=12.5m
翅片总加热功率约：
12.5*57.30=716W
电加热管外管散热量约为（取外管向环境的热辐射角系数0.5）：
6*3.14*0.012*1.0*(400-100)
+0.9*0.5*5.67*3.14*0.012*1.0*((400+273)/100)4
=68+197=265W
电加热管总加热功率约：
716+265=981W
强制对流加热气体计算
强制对流是指用风机驱送气体快速流过电加热管。
设电加热管参数与前述自然相同，取气体与翅片及外管的对流换热系数为25W/(m2.℃)。
利用上一篇的计算软件，可得翅片下、中、上部温度分布如下。
上述温度下，每米长度翅片的加热功率约为：
Q1=25*8*10-6*(385.1-100)
+0.9*0.15*5.67*8*10-6*((385.1+273)/100)4
=0.05702+0.01149
=0.06851W
Q2=25*8*10-6*(364.0-100)
+0.9*0.35*5.67*8*10-6*((364.0+273)/100)4
=0.0528+0.02353
=0.07633W
Q3=25*8*10-6*(352.9-100)
+0.9*0.5*5.67*8*10-6*((352.9+273)/100)4
=0.05058+0.03133
=0.08191W
每米长翅片加热功率约为：
Q=(1000/2)*(Q1+Q2+Q3)
=500*(0.06851+0.07633+0.08191)
=500*0.2267
=113.37W/m
设电加热管长度1000mm，翅片缠绕圈数约：
1000/6=166圈
按翅片外周计算，则一圈翅片周长约：
3.14*(0.012+0.006+0.006)
=0.07536m/圈
电加热管缠绕翅片总长度约：
166*0.07536=12.5m
翅片总加热功率约：
12.5*113.37=1417W
电加热管外管散热量约为（取外管向环境的热辐射角系数0.5）：
25*3.14*0.012*1.0*(400-100)
+0.9*0.5*5.67*3.14*0.012*1.0*((400+273)/100)4
=283+197=480W
电加热管总加热功率约：
1417+480=1897W
简化计算方法
以强制对流为例，各参数取值也同上。
电加热管的总加热功率近似分三部分：基管对流加热+翅片对流加热+热辐射加热。
基管对流加热功率
基管（外管）对流加热功率，与前面计算方法相同，即：
QA=25*3.14*0.012*1.0*(400-100)= 283W
翅片对流加热功率
翅片对流加热功率，与前面计算方法相似（翅片平均温度可近似取比基管温度低10～30℃，此处取400-20=380℃），即有：
QB=25*12.5*0.006*2*(385-100)
=1068W
上式中12.5*0.006*2为翅片长*高*2，2是翅片有两个表面。
热辐射加热功率
近似把翅片式电加热管看作为外直径为翅片外端的当量管，并近似取表面温度约比基管温度低30～70℃（此处取50℃），当量黑度和对环境的角系数均取1.0，因此有：
QC=5.67*3.14*0.024*1.0*((350+273)/100)4
=644W
总加热功率近似为：
283+1068+644=1995W
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