Цель электрического расчета нагревателей – определение их размеров (сечения и длины). Исходные данные: мощность Рн, Вт, одного нагревателя; напряжение U питающей сети, Вт; условия работы нагревательных элементов.
Расчет основывается на том, что нагреватель может рассматриваться как элемент электрической цепи, для которого справедливы законы электротехники. Так, мощность, Вт, нагревателя в соответствии с законом Ленца-Джоуля
где 
– напряжение питания нагревателя, В;
сопротивление нагревателя, Ом.
Одновременно нагреватель может рассматриваться как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме
мощность 
полностью передается окружающей среде. Уравнение теплообмена нагревателя с окружающей средой при теплопередаче:
теплопроводностью 
конвекцией 
излучением 
где 5,7 – постоянная Стефана-Больцмана Вт/м2∙К4
Спр – приведенная степень черноты тел, участвующих в теплообмене;
α – коэффициент эффективности излучения нагревателей
(α = 0,3…0,7)
wт, wк, wи – удельные поверхностные мощности нагревателей при теплообмене теплопроводностью, конвекцией, излучением, Вт/м2
Удельная поверхностная мощность нагревателей при теплопередаче:
теплопроводностью 
(*)
конвекцией 
(**)
излучением 
(***)
(для αспир = 0,32
lш
αлент = 0,4 А
 |
lн.э.
αпров = 0,68) 
Зная конкретные условия работы нагревателей, можно определить соответствующие удельные поверхностные мощности wт, wк, wи. Однако их расчет по формулам (*), (**), (***) носит приближенный характер, т.к. входящие в них коэффициенты являются сложными функциями многих переменных.
Обозначив в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя wн, основные размеры нагревателей находят из следующих уравнений:
где Rн – сопротивление нагревателя, Ом;
U – напряжение, подведенное к нагревателю, В;
Рн – мощность нагревателя, Вт;
ρ – удельное сопротивление материала нагревателя, Ом∙м;
l – длина нагревателя, м;
S – площадь поперечного сечения нагревателя, м2;
F = П∙l – площадь боковой поверхности нагревателя, м2;
П – поперечный периметр нагревателя, м2.
Из уравнения (1) и (2):
Или 
Для нагревателя круглого сечения
(5)
где d – диаметр проволоки нагревателя, м.
Подставив эти значения в формулу (4), получим:
откуда 
(6)
По значению d подбирают ближайший больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина проволочного нагревателя
(в расчетах можно находить поэтапно
Для ленточного нагревателя
,
где a, b – толщина и ширина ленты, м
Тогда 
Расчетную толщину нагревателя прямоугольного сечения находим опять из формулы (4):
; 
; 
(7)
а его длина
При рабочей температуре tраб > 700ºС не рекомендуется применять для элементов проволоку диаметром d < 5 мм и ленту толщиной а < 1,5 мм, т.к. малое сечение из-за окисления материала приводит к значительному сокращению срока службы нагревателей.
Из формул (5) и (6) видно, что при снижении питания расчетное сечение нагревателей увеличивается, а расчетная длина уменьшается. Значит, размещение нагревателей в рабочем пространстве печи облегчается. При этом повышается срок их службы.
В рабочем пространстве электротермических устройств нагреватели изгибают зигзагообразно или придают им форму спирали.
Для проволочных зигзагообразных нагревателей d = 6…15 мм высоту А зигзага принимают от 200 до 400 мм по условию механической прочности. Шаг волны выбирают lш ≥ 5d, с тем, чтобы бездефектно изогнуть проволоку.
У ленточных зигзагообразных нагревательных элементов высоту зигзага А принимают А ≤ 100 мм, а шаг волны lш ≥ 2b. Конструктивная длина проволочных и ленточных зигзагообразных нагревательных элементов lн.э. = n ∙ lш, где n – число волн в нагревательном элементе.
Для спиральных нагревательных элементов из проволоки принимают шаг спирали h > (2…4)d, с тем, чтобы соседние её витки существенно не экранировали один другой.
Диаметр спирали выбирают из условий обеспечения механической прочности – для никельсодержащих сплавов, обладающих повышенной жаропрочностью, Dсп = (7…10)d, для хромалюминиевых – Dсп = (5…7)d.