Простейшие электрические расчеты нагревательных элементов, применяемых в электробытовых приборах

Электронагреватели широко используются в бытовых электроприборах: чайниках, утюгах, каминах, плитках, паяльниках и т. д.
Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно, по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.

Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении его через участок цепи, вычисляется по формуле

где U — напряжение, В; I — сила тока, A; t — время, с.
Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля — Ленца:

где R — сопротивление проводника, Ом.
Произведем расчет количества теплоты, необходимой для того, чтобы вскипятить воду в чайнике, вмещающем 2 л. Напряжение сети U=220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I=4 А. Определить время закипания воды в чайнике, если КПД его 80% и начальная температура воды 20° С.
Исходные данные: U = 220 В; I = 4А; m = 2 кг; КПД = 0,8; t = 20°С; tкип = 100° С. Удельная теплоемкость воды С = 4200.
Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения.

Определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:

Определим время закипания воды в чайнике:

Отсюда находим t:

Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, так же как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока A = UIt, следует, что мощность его (Р) равна:

Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой от сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока (за счет тока) нагреваются утюги, электроплитки и т. д.
В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих приборов. Так, например, для нормальной работы электроплитки на 220 В мощностью 500 Вт требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 В (2.3-220 = 500).
На практике применяют более крупные единицы мощности: 1 гВт (гектоватт) = 100 Вт и 1 кВт (киловатт) = 1000 Вт.
Таким образом, 1 Вт есть мощность, выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.
Единица работы, совершаемой электрическим током в течение 1 с при помощи 1 Вт, называется ватт-секундой, или иначе джоулем. Применяют и более крупные единицы работы: 1 гектоватт-час (гВт-ч) или 1 киловатт-час (кВт-ч), который равен работе, совершаемой электрическим током в течение 1 ч при мощности 1 кВт.
Длину и диаметр проволоки нагревательного элемента рассчитывают исходя из величины напряжения сети и заданной мощности нагревательного элемента. Сила тока при данном напряжении и мощности определяется по формуле

омическое сопротивление проводника всегда вычисляется по формуле

Зная величину тока, можно найти диаметр и сечение проволоки.

Основные данные для расчета нагревательных элементов

Подставляя полученные значения в формулу

где i — длина проволоки, м; S — сечение проволоки, мм2; R — сопротивление проволоки, Ом; р—удельное сопротивление проволоки (для нихрома р = 1,1, для фехраля р = 1,3), Ом-мм2/м, получим необходимую длину проволоки для нагревательного элемента.
Пример. Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью Р = 600 Вт при напряжении сети U = 220 В.

По этим данным находим диаметр и сечение проволоки: d = 0,45 мм, S = 0,159 мм2. Тогда длина проволоки будет равна:

Точно так же можно рассчитать нагревательные элементы и для других электронагревательных приборов.
Примечание. При эксплуатации электрорадиотехнической аппаратуры необходимо знать сечение монтажных проводов — в зависимости от величины проходящего по ним тока. В таблице приведены максимально допустимые токи нагрузки для медных проводов различного сечения.

Допустимые токи нагрузки медных проводов (монтажных)

300 Практических советов, В. Г. Бастанов