Электрический расчет нагревательной печи

Задание:

Рассчитать закалочную печь мощностью 15кВт. Размеры печи соответствуют эскизу, представленному на рисунке 1. Напряжение сети U = 380/220В.

Решение:

1. Приведенный коэффициент излучения изделия:

где: ξ_н - степень черноты материала нагревателя;

ξ_изд - степень черноты материала изделия.

Для стали и нихрома степень черноты ξ_изд = ξ_н = 0,8

2. Удельная поверхностная мощность идеального нагревателя

Температура изделия:

Температуру нагревателя из нихрома примем t_н = 1100°С.

Тогда:

3. Коэффициент α_р учитывающий неполное использование мощности нагревательных элементов, находят по графику на рисунке 2. Согласно расчету тепловой изоляции печи, ее внутренняя поверхность F₁ = 1,26м², из которой только F_cт = 0,8м² занято нагревателями (не используются для размещения нагревателей двери и свод).

Поверхность изделий:

при

4. Коэффициент эффективности системы излучателя (принимаем нагреватели в виде проволочных спиралей) α_эф = 0,32 (приложение 3).

Рис. 2. Коэффициент α_р, учитывающий использование мощности нагревательных элементов.

5. Минимальное относительное витковое расстояние (отношение шага спирали h к диаметру проволоки d) для принятой системы нагревателей . При этом коэффициент шага α_г = l,4 (рисунок 3).

Рис. 3. Коэффициент шага: а) для спирали из круглой проволоки; б) для ленточных нагревателей

6. Реальная удельная поверхностная мощность:

где α_с = f(С_пр), определяемая по графику (рис. 4). Для нашего случая α_с=1.

7. Мощность одной фазы:

8. Диаметр проволоки:

Рис. 4. Коэффициент α_с в зависимости от приведенного коэффициента излучения.

Примем пока U = 380В (соединение треугольник) и удельное сопротивление ρ = 1,15 Ом×мм²/м (для нихрома).

Значения ρ приведены в приложении 4.

Тогда

9. Сопротивление фазы:

10. Длина проволоки на фазу:

11. Диаметр спирали при d < 3мм

12. Длина витка:

13. Количество витков на фазу:

14. Шаг спирали:

15. Длина спирали на фазу:

На три фазы приходится 4,8×3 = 14,4 м спирали.

16. Такое количество нагревательных элементов разместить в печи затруднительно. Поэтому необходимо снизить напряжение до 220В (схема звезда) и все расчеты с пункта 8 по 15 сделать заново.

Рис. 5. Срок службы проволочного нагревателя т диаметром 1мм в зависимости от его температуры t

Тогда получим:

; ; ; ; ; ; ; .

А на три фазы 11,8м, что позволяет разместить нагревательные элементы в полу на боковых и задней стенках (проверьте размещение самостоятельно).

17. Срок службы нагревателей:

где: τ'_пр - срок службы нагревателя диаметром d=lмм (рис. 5), для сплава Х23Н18 при t =1100°С, τ'_пр = 500 ч;

к' -коэффициент, учитывающий форму сечения нагревателя (для круглой проволоки к' = 1, для ленты к' = 1,75)

При семичасовом рабочем дне и односменной работе это составит ~180 рабочих дней. Для увеличения срока службы надо взять сплав Х15Н60КЗ, для которого τ'_пр =2000 и τ_пр=5000ч, что позволит работать нагревателям более 2 лет без замены.