Блог Хитл

Основные правила эффективного проектирования теплопередачи

Лого Хитл

Эти основные правила проектирования теплопередачи повысят эффективность вашего оборудования, уменьшат потери энергии и оптимизируют ваш нагревательный процесс.

Электрические нагреватели могут нагревать именно там, где это вам нужно, и при правильном размещении термопары держать весь нагревательный процесс под контролем и в стабильном состоянии. Но плохая конструкция системы нагрева или не оптимальное размещение датчика приведет к неидеальным результатам, увеличению брака и преждевременным выходам из строя нагревателя.

Понимание основных принципов теплопередачи жизненно важно для успеха проектов и для решения общих проблем до того, как они возникнут. Свойства теплопередачи очень похожи на звуковую волну. Инструмент, у которого тепло перемещается за угол, через резьбу или прыгает по необработанным поверхностям, не является реалистичным ожиданием для любой реальной системы. Тепло - это энергия, и поэтому оно должно соответствовать законам физики.

С этими основными правилами проектирования для теплопередачи вы с большей вероятностью достигнете желаемых целей и легко избежите дорогостоящих ошибок. Данные правила проектирования теплопередачи повысят эффективность вашего оборудования, уменьшат потери энергии и оптимизируют ваш нагревательный процесс.

Дайте теплу прямой путь

Подобно тому, как зимой кошка лежит на батарее отопления и в комнате становится холодно, нельзя ожидать, что тепло попадет из одной точки в другую, волшебным образом объезжая препятствие. Отверстия, прорези, карманы и поверхности нагревателя без греющего материала - все это возможности не дать теплу попасть туда, где ему нужно быть.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим деталь, в которой расположение термопары в комплекте упаковочных зажимов блокирует теплопередачу к уплотнительной поверхности (рис. 1). На изображении, полученном с помощью анализа методом конечных элементов (МКЭ), отверстие для термопары - это меньшее отверстие справа над нагревателем. В этом случае только 66 процентов поверхности уплотнения находится в оптимальном диапазоне температур с ∆t в 3,3 ° C (6° F) .


Основные правила эффективного проектирования теплопередачи


Рис. 1. Анализ методом конечных элементов показывает, что только 66 процентов поверхности уплотнения находится в оптимальном диапазоне температур.

Распределение мощности в нагревателе может помочь выровнять нагрев элемента (рисунок 2). Просто изменив удельную мощность на концах нагревателя, 86 процентов поверхности детали удерживается в оптимальном диапазоне температур. Отверстие все еще присутствует, но конструкция и расположение нагревателя могут компенсировать увеличение мощности для восстановления поверхности.

Основные правила эффективного проектирования теплопередачи


Мы можем изготовить практически любой тип нагревательных элементов с распределенной мощностью. Для расчета оптимальных характеристик мощности и распределения температуры нагрева в нагревателе обращайтесь к нашим специалистам по телефону или по электронной почте.

Иногда возникают просто сложные конструкции, у которых нет другой функциональной альтернативы. Столкнувшись с одной из этих проблем, специалист по нагревательным системам может предложить варианты, о которых вы иначе не могли бы подумать.

На рисунке 3 показана одна из таких сложных конструкций теплопередачи. Если вы не можете вставить стандартный нагреватель в инструмент, существуют нагреватели, которые могут соответствовать форме нагреваемой поверхности. В этом примере используется гибкий нагреватель, который может включать встроенную термопару.

Основные правила эффективного проектирования теплопередачи

Рис. 3. Гибкий нагреватель может быть сконструирован таким образом, чтобы он соответствовал необычной форме деталей и не позволял препятствовать равномерной передаче тепла.

Такой принцип нагрева используется для горячеканальных пресс-форм, в которых для равномерного нагрева плит и коллектора применяются гибкие формируемые ТЭНы.                         

Оптимальная посадка

Отличная посадка означает повышенную экономию энергии и более длительный срок службы. По определению, электрическое тепло является эффективным на 100 процентов. Что не является 100-процентным эффективным, так это процесс передачи тепла от нагревателя к процессу или детали, которую необходимо нагреть.

Чтобы обеспечить максимальную производительность электрического нагревателя, он должен иметь непосредственный контакт с подогреваемой поверхностью. Для патронного нагревателя с высокой плотностью мощности это может означать, что диаметр отверстия для установки нагревателя выдерживается с допуском ± 0,025 мм от номинала, а корпус нагревателя спроектирован в соответствии с нормой DIN g6 в условиях меньшего размера. Эти расчетные условия обеспечат плотную скользящую посадку.

Однако лучшим решением может быть установить нагреватель в оборудование с применением высокотемпературной монтажной пасты. Это обеспечивает оптимальную теплопередачу технологическому процессу и более высокую удельную мощность нагревателя для увеличения срока службы. Монтажная паста устраняет зазоры и неровности поверхности отверстия нагреваемой детали и  также способствует легкому извлечению ТЭНа при необходимости, ведь при использовании теплопроводной пасты ТЭН не приваривается к поверхности отверстия. Звоните нам для консультации, мы можем предложить вам правильные методы установки, обеспечивающие долгий срок службы нагревателя.

Энергия хороша только в том случае, если ее контролируют

И то, как измеряется температура, и какая масса материала нагревается, влияют на теплопередачу.

Во-первых, важно размещение термопары. Если датчик расположен слишком далеко от нагревателя и технологического процесса, температурная реакция может быть ослаблена и выйти из-под контроля. Если термопара расположена слишком близко к нагревателю и рабочей поверхности, на которой необходимо измерить температуру, показания могут привести к неточным заданным значениям контроллера. В идеале нужно, чтобы измеряемая температура соответствовала температуре рабочей поверхности (рис. 5). Правильное термическое размещение снижает разницу температур (Δ) между заданной и рабочей температурой, обеспечивая гораздо лучшее понимание истинной среды процесса.

Основные правила эффективного проектирования теплопередачи

Рисунок 5. Расположение отверстия для термопары между отверстиями для патронных ТЭНов

 

Во-вторых, не менее важно количество массы для распределения тепла от нагревателя. Если толщина стенки детали слишком мала, тепло не сможет равномерно излучаться от нагревателя. Вместо этого будет создано «ребро» тепла. В то же время, если стенка слишком толстая, эффективность снижается, а восстановление процесса может быть медленным. Не поддавайтесь желанию ввинтить установочный винт - даже небольшой - в стенку нагревателя, чтобы предметы оставались на месте.

На рисунке 6 показано, как масса и толщина стенки влияют на распределение тепла. На рисунке меньшее отверстие - это место для термопары. Отверстия слева и справа - это отверстия патронного нагревателя. (Для наглядности патронные нагреватели были удалены с изображения, чтобы изолировать эффекты распределения тепла.)


Основные правила эффективного проектирования теплопередачи

Рис. 6. Влияние массы и толщины стенки на распределение тепла от патронных нагревателей.  Левая половина изображения показывает, что нагреватель правильно подобран по размеру блока, что позволяет как минимум в 1,5 раза превышать диаметр нагревателя по толщине стенки. Правая половина изображения показывает искусственно истонченную стенку детали.  В этой установке распределение тепла не является идеальным, и процесс, вероятно, выходит из-под контроля.

Левая половина изображения показывает, что нагреватель правильно подобран по размеру блока, что позволяет по крайней мере в 1,5 раза превышать диаметр нагревателя по толщине стенки (от средней линии нагревателя). Обратите внимание на светло-зеленый цвет (обозначающий температуру) на поверхности блока. Это тот же светло-зеленый цвет, на который указывает термопара. Это означает, что температура рабочей поверхности такая же, как температура термопары - признак того, что процесс хорошо контролируется. Напротив, правая половина изображения показывает искусственно истонченную стенку детали. В результате вы можете увидеть красное «ребро» тепла на рабочей поверхности, а также вы можете увидеть, что термопара не того же цвета, что и поверхность. Этот процесс не контролируется, и распределение тепла неидеально.

Лучшая конструкция предотвращает "исправления", вызывающие более серьезные проблемы

Нагревательные элементы нагреваются и остывают, а это значит, что все движется. Тем не менее, пользователи нагревателя должны сопротивляться желанию ввернуть установочный винт сбоку него, чтобы удерживать предметы на месте - даже не маленькие. Использование установочных винтов создает двойную проблему. Во-первых, они блокируют передачу тепла. Резьба винтов наполнена воздухом, что очень плохо для теплопередачи. Во-вторых, углубление, вдавливаемое в нагреватель установочным винтом, оказывает давление на внутренние части нагревателя. Это может создать горячую точку или вызвать разрушение из-за напряжения на проводе сопротивления, который находится в непосредственной близости от оболочки. Если вам приходится работать с установочным винтом, вы не удовлетворили второй ключевой момент, отмеченный в этой статье: проектируйте нагреватель с учетом посадки, чтобы сохранить целостность отверстия и канавки.

Если нагреватель должен быть прикреплен к корпусу оборудования, предпочтительным методом является использование фланца, приваренного к корпусу нагревателя. Фланец прикручивается на место. Предлагается множество фланцев и альтернативных способов удержания, которые не повредят нагреватель.

Больше мощности не всегда лучше

Вопреки тому, что вы, возможно, слышали, больше мощности - не лучше. Большая часть энергии потребляется во время нагрева от комнатной температуры. Как только инструмент достигнет установившегося состояния, если процесс хорошо спроектирован, нагревателю потребуется около 20 процентов начальной мощности для поддержания заданного значения. Таким образом, хотя увеличение мощности инструмента и увеличит скорость его подъема, это может не повлиять на фактические рабочие характеристики при температуре. Одним из рисков быстрого нагрева инструмента является коробление, а быстрый нагрев также может сократить срок службы нагревателя. То, что нагреватель имеет большую мощность, не означает, что он быстрее перейдет из нагревателя в нагреваемую деталь.

В заключение, тепло - это энергия. И хотя это мощный инструмент, это не волшебство. Правильный контроль и распределение тепла в оборудовании могут повлиять на успех проекта, а также на эффективность работы системы.

На этапе проектирования оборудования важно соблюдать основные правила теплопередачи. Небольшие изменения в нагревателе могут существенно повлиять на скорость процесса, качество нагрева и срок службы нагревателя.

Мы можем предложить инженерный опыт, чтобы гарантировать, что конечным результатом будет надежная конструкция, которая включает эффективное управление температурой в качестве ключевой стратегии и поможет вам избежать проблем с запуском при включении коммутатора.

21.01.2021

Статьи по теме

Возврат к списку