499 电加热管研发实例-液体电加热管设计计算

499 电加热管研发实例-液体电加热管设计计算

背景

加热介质为水，加热功率1000W，电压220V；外管采用外直径10mm（缩管后）、壁厚1mm的304不锈钢管，绝缘导热填充材料采用电加热管专用电熔结晶氧化镁粉，电热丝采用0.4mm镍铬丝（Cr20Ni80），封口胶采用硅橡胶。

电热丝

0.4mm镍铬丝（Cr20Ni80）的基本参数为（参见“冷热平台”第487篇）：

电阻：8.674欧姆/米

面积：12.57cm²/m

220V，1000W时所需电阻约为：

220*220/1000=48.4欧姆

所需电阻丝长度：

48.4/8.674=5.6m

盘绕成直径约3mm的弹簧状，所需绕的圈数：

5.6/(3.14*0.003)=594圈

取各圈之间的间距1mm，则弹簧状电热元件盘绕体长度：

594*0.001=0.594m

考虑到安装方便，电加热管可弯制成U型。

盘绕电热丝及电加热管外型如下图。

热参数计算

单位面积外管加热负荷

电加热管外管的外表面积：

3.14*1*60=188.4cm²

单位面积负荷：

1000/188.4=5.3W/cm²

外管外表面温度

取水与外管表面的换热系数为200W/(m².℃)，水温80℃，外管外表面温度约为：

80+1000/(200*0.0188)

=346℃

外管内表面温度

取不锈钢热导率约20W/(m.℃)，则外管内表面温度约为（按圆筒导热考虑）：

1000=0.6*(T-346)/((1/(2*3.14*20))*(ln(10/8)))

1000=0.6*(T-346)/(0.008*0.223)

T=349℃

电热丝表面温度

取氧化镁粉当量热导率2.5 W/(m.℃)，电热丝盘绕半径处平均温度约为（按圆筒导热考虑）：

1000=0.6*(T₁-349)/((1/(2*3.14*2.5))*(ln(8/3)))

1000=0.6*(T₁-349)/(0.0637*0.982)

T₁=453℃

只考虑电热丝向外半圆面积时，其传热面积约为：

0.5*3.14*0.0004*5.6

=0.0035m²

近似按该面积平壁导热考虑时，有：

1000=2.5*0.0035*(T₂-349)/0.0025

T₂=635℃

电热丝实际温度应在T_！（453℃）和T₂（635℃）之间。

粗略估算时电热丝温度约为：

0.5*(453+635)=544℃

精细计算时可采用计算传热学方法自编软件或借助商业软件解决（后文专文展开）。

其他

降低电加热管外管温度的途径有很多，如提高被加热介质与电加热管表面的换热系数、增大外管表面积等。

降低电热丝表面温度的途径也有很多，如降低外管温度、采用较粗的电热丝直径、采用适宜的电热丝盘绕尺寸、采用适宜的盘绕电热丝与外管内壁间距（盘绕电热丝与外管内壁间距减小有助于降低电热丝温度，但该间距不能太小，需考虑电热丝加工过程可能偏离中心、电热丝与外管之间爬电距离要求等因素）等。

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