Основные условные обозначения

a — коэффициент температуропроводности, м²/с;

C0=5,67 Вт/(м²·К⁴) — константа излучения абсолютно чёрного тела;

ñ — теплоёмкость, Дж/(кг·К);

D, d — диаметр, м (для проволоки мм);

F — площадь поверхности, сечения, м²;

f — частота тока, Гц;

G — масса, кг;

g=9,81 м/с² — ускорение силы тяжести;

h — шаг между витками, мм;

H — высота, глубина, м;

I — сила тока, А;

L — длина, м;

l — длина проволоки или ленты одного электрического нагревателя, м;

N — мощность тепловая, электрическая, Вт (при индукционном нагреве P);

n — количество;

Q — количество теплоты, Дж;

q — плотность теплового потока, Вт/м²;

R — сопротивление электрическое, Ом;

R — удельное тепловое сопротивление, К/Вт;

r — полное тепловое сопротивление, (м²·К)/Вт;

r — радиус, м;

S — толщина слоёв кладки, м;

T — температура по абсолютной шкале, К;

t — температура по стоградусной шкале (Цельсия), °C;

U — напряжение, В;

W — удельная поверхностная нагрузка нагревателя, Вт/см2;

a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

b — температурный коэффициент физической величины, К–1;

g — плотность, кг/м³;

d — активная глубина проникновения тока, мм;

e — степень черноты поверхности материала;

h — коэффициент полезного действия;

l — коэффициент теплопроводности, Вт/(м·K);

r — удельное электросопротивление, мкОм·м;

S — сумма, суммарное;

s — напряжение, Па;

t — время, с;

F — коэффициент диафрагмирования;

w — степень развития кладки;

3.2.1.Классификация, материалы и конструкции нагревателей

Целью электрического расчета печей сопротивления является выбор материала нагревателей и определение их геометрических размеров при известных размерах рабочего пространства, температуре и мощности печи.

Нагревательные элементы являются одной из важнейших частей всякой электрической печи сопротивления, и от их надёжности в значительной степени зависит надёжность её работы. Работа нагревателей происходит обычно в очень тяжёлых условиях, часто при предельно допустимых для материала, из которого они выполнены, температурах. Поэтому долговечность нагревателей значительно ниже срока службы других элементов печей (кроме жароупорных деталей, находящихся в зоне высоких температур).

Срок службы нагревателей зависит от целого ряда факторов: рабочей температуры, характера её изменения во времени, конструкции и размеров нагревателя, воздействия на него атмосферы печи. При расчёте нагревательных элементов электрических печей сопротивления конструктор должен выбрать тип нагревателей и материал для их изготовления, определить их размеры — сечение и длину — и разместить их внутри печи. Для решения этих задач имеются исходят из следующих предпосылок.

1. Вся забираемая электрической печью мощность выделяется в её нагревательных элементах в виде тепла и при установившемся тепловом режиме (так как нагреватели обладают, как правило, малой тепловой инерцией, в них весьма быстро устанавливается стационарный режим) должна быть передана нагреваемым изделиям и кладке печи. Уравнения теплопередачи между нагревателями, нагреваемыми изделиями и футеровкой печи дают связь между их температурами, мощностью печи и размерами нагревательного элемента.

2. Мощность, выделяемая в нагревательных элементах, должна быть равна расчётной мощности печи и, следовательно, сопротивление элементов должно соответствовать этой мощности и напряжению питания.

3. Нагреватели должны быть размещены внутри рабочего пространства печи. Это требование также накладывает известные условия на размеры (особенно длину) и конструкцию нагревательных элементов.

Кроме того, должны быть, естественно, известны физические свойства и максимально допустимые температуры эксплуатации материалов, применяемых для нагревательных элементов.

Электрические печи сопротивления относятся к группе нагревательных устройств косвенного нагрева, в которых тепло, выделяемое электрическими нагревательными элементами, передается нагреваемым изделиям тремя способами: излучением, конвекцией и теплопроводностью. Доля каждого способа определяется температурой печи, ее конструкцией, то есть наличием циркуляционных вентиляторов или мешалок, типом и расположением в печи самих нагревателей. Например, нагрев в вакуумных печах идет только путем лучистого способа передачи тепла, а в печах-ваннах и в печах с кипящим слоем — всеми тремя способами. В печах с газовой средой при температурах выше 600...700°С преобладает излучение, а ниже — конвекция, доля которой увеличивается при наличии в печи циркуляционных вентиляторов.

С учетом способа передачи тепла и расположения в печи нагреватели электрических печей сопротивления можно разделить на три группы.

Первая группа — нагреватели с теплоотдачей преимущественно излучением или свободно-излучающие нагреватели. Они используются в печах с газовой средой и рабочей температурой 600...700°С и выше без принудительной циркуляции атмосферы, в вакуумных печах во всем интервале температур и в печах-ваннах с наружным обогревом тигля. Нагреватели располагаются, как правило, на внутренних поверхностях рабочего пространства печи. Материал нагревателей — высокоомические сплавы и стали, карборунд, дисилицид молибдена и графит.

Вторая группа — нагревательные элементы печей с преимущественной конвективной теплоотдачей (конвективные нагреватели). Они обычно применяются в низко- и среднетемпературных печах (до 600¼700°С) с воздушной или контролируемой атмосферой, а также в печах-ваннах до 600°С.

В этом случае расположенные в рабочем пространстве нагреватели всегда отделены от нагреваемых изделий экранами, являющимися элементами системы принудительной циркуляции печной среды. Часто в газовоздушных печах нагреватели вообще выносятся из рабочего пространства в виде отдельного калорифера, обогревающего либо всю печь, либо ее отдельную зону. Во всех случаях в печи имеется один или несколько мощных циркуляционных вентиляторов, направляющих воздушный или газовый поток по замкнутой схеме: вентилятор — нагреватели (калорифер) — нагреваемая садка — вентилятор. Конвективные нагреватели изготовляются только из металлических материалов.

Третья группа — нагревательные элементы с теплоотдачей теплопроводностью (закрытые нагреватели). Обычно такие нагреватели замурованы в огнеупорный слой кладки печи или заключены в металлическую трубку, заполненную песком-электроизолятором (кварц, периклаз). Последние получили название ТЭН (трубчатый электрический нагреватель). Нагреватели закрытого типа применяются чаще всего в лабораторных печах, а ТЭНы — в печах-ваннах и в бытовых электронагревательных приборах.

Закрытые нагреватели изготовляются только из металлических материалов. Тепло от нагревателя закрытого типа передается только теплопроводностью через слой огнеупора или изолятора, а уже с поверхности металлической трубки или внутренней стенки печи — излучением и конвекцией (или только одним из способов) в рабочее пространство печи.

Для изготовления нагревателей применяются различные материалы: металлические сплавы, высоколегированные стали и чистые тугоплавкие металлы, графит в различных формах, оксиды углерода и молибдена.

Металлические материалы — это сплавы и стали с высоким омическим сопротивлением. К ним предъявляются следующие требования:

1) высокое омическое сопротивление и низкая его зависимость от температуры;

2) высокая жаростойкость и удовлетворительное сопротивление ползучести;

3) хорошая пластичность в состоянии поставки и после определенного срока эксплуатации;

4) близкие значения коэффициентов линейного расширения самого сплава и окисной пленки, образующейся на нем;

5) хорошая свариваемость и пластичность для удобства изготовления и гибки нагревателя;

6) низкая стоимость.

Нагреватели промышленных и лабораторных печей изготавливают из следующих материалов.

1. Нихромы: Х20Н80 (Х20Н80Т, Х20Н80-Н), Х15Н60 (Х15Н60Т, Х15Н60-Н). Температура их эксплуатации — до 1000...1200 °С в зависимости от марки. На базе нихромов разработаны сплавы с добавкой алюминия — ХН70Ю, ХН60Ю3. Все нихромы — очень дорогие материалы из-за высокого содержания никеля (60...85%) и хрома (до 20%). Преимущества нихромов — хорошая пластичность (даже после определенного времени эксплуатации) и высокая окалиностойкость, которая определяется следующими факторами:

— плотная окисная пленка на базе оксида Cr₂O₃, покрывающая всю поверхность сплава при первоначальном нагреве, имеет очень низкий коэффициент диффузии кислорода через нее;

— скорость роста окисной пленки (по толщине) составляет 0,05¼0,32 мм/год при условии, что эта пленка механически не разрушается на поверхности металла;

— коэффициент линейного расширения нихрома и его окисной пленки практически одинаков, поэтому при многократных изменениях температуры пленка не отслаивается с поверхности сплава.

2. Железохромоалюминиевые сплавы: Х13Ю4, Х15Ю5 (фехрали) и Х23Ю5, Х23Ю5Т, Х27Ю5А (хромали). Температура их эксплуатации — до 800...950 °С для фехралей и до 1200...1400 °С для хромалей. Стойкость этих сплавов в два-три раза ниже, чем у нихрома. Они имеют низкую начальную пластичность и сильнее охрупчиваются в процессе эксплуатации. Гибку проволоки сечением более 4 мм и ленты более 2 мм необходимо проводить с предварительным подогревом, так как они имеют очень низкую пластичность при комнатной температуре. Основные достоинства этих сплавов — значительно более низкая стоимость по сравнению с нихромами и более высокие предельные температуры у хромалей. Конструктивно металлические нагреватели любого типа выполняют из круглой проволоки в форме зигзага или спирали и из плоской ленты в виде зигзага. На рис. 6приведены размерные параметры нагревателей:

L — длина нагревателя в готовом (свернутом) виде, м;

d_в — диаметр вывода, мм;

t— шаг спирали, мм;

e— шаг полузигзага, мм;

D — диаметр спирали, D=(4¼9)×d, мм;

H — высота зигзага, мм;

d — диаметр проволоки, мм;

a, b — толщина и ширина ленты, мм.

а б в

Рис. 6. Типы конструкций металлических нагревателей: а — проволочная спираль (п.с.); б — проволочный зигзаг (п.з.); в — ленточный зигзаг (л.з.)

Сечение проволоки и ленты гостировано. В промышленных печах применяют проволоку d > 4 мм, ленту — b = 1,0¼3,2 мм с m = b/a = 5¼20 (чаще m = 10); в лабораторных печах — только проволоку d = 1¼5 мм. Величина L показывает суммарную длину всех секций одного нагревателя, которая связана с расчетной величиной l через шаг спирали t или шаг полузигзага e, а также через диаметр спирали d или высоту зигзага H.

3. В вакуумных печах, кроме нихрома, часто используют молибден и вольфрам. Их применяют из-за высокой температуры плавления — 2200 °С для Mo и 2500 °С для w. Металлические нагреватели выполняют в виде стержней или сплошного листа, охватывающего нагреваемую садку. В вакуумных печах применяются также два типа графитовых нагревателей: стержневые и типа ткани. Графит можно использовать в печах с науглероживающей атмосферой или с нейтральной азотной атмосферой.

4. В газонаполненных печах с температурой 1200¼1600 °С применяют неметаллические материалы: карборунд (SiC) и дисилицид молибдена (MoSi₂). Карборунд может работать как в окислительной, так и в восстановительной атмосферах. Его предельная рабочая температура 1450 °С. Дисилицид молибдена имеет предельную температуру 1600 °С. Карборундовые и дисилицидомолибденовые нагреватели изготовляются обычно в форме одно- и двухходовых стержней (прямой нагреватель и u-образный).

Расчет нагревателей

В основе всех расчетных методик, независимо от принадлежности нагревателей к первой, второй или третьей группе, лежит определение удельной поверхностной нагрузки нагревателя W. Так как из практических соображений сечение материала нагревателя выражается в миллиметрах, а его длина — в метрах, то для приведения к удобной размерности в системе СИ удельную поверхностную нагрузку принято выражать в ваттах на квадратный сантиметр реальной поверхности нагревателя (Вт/см² или кВт/м²). Она зависит от температуры нагрева изделия, способа передачи тепла, конструкции, материала и температуры нагревателя и ряда других факторов.

Во всех случаях для расчета нагревателей необходимо иметь следующие исходные данные:

N_å — установленную мощность всей печи или каждой ее зоны в кВт, которая определяется в результате расчета теплового баланса с учетом коэффициента запаса мощности k_зап= 1,2¼1,6. Чем больше мощность и размеры печи (зоны), тем меньше берется коэффициент k_зап;

U— напряжение питающей сети, В. Для начала расчета принимается промышленное напряжение (380 или 220 В). В процессе расчета оно уточняется и при необходимости в схему включается понижающий, реже —повышающий трансформатор.

t_м— температура нагрева металла, °С. В зависимости от нее и с учетом способа передачи выбирается материал нагревателя и его максимальная рабочая температура:

tн= tм+ (50...200) °С ;

(81)

r_t — удельное электросопротивление материала, мкОм·м (Ом·мм²/м). Оно выбирается в зависимости от принятой t_Н.

Затем рассчитывается удельная поверхностная нагрузка W,определяется сечение и длина нагревателя. Под «нагревателем» в данном случае понимается произвольное количество последовательно включенных секций одинаковой конструкции, формы, сечения и выполненных из одного материала.

Часто приходится сначала выбрать число нагревателей, и тогда в расчет вводится N₁ — мощность одного нагревателя: N₁ = N_å/n, где n — число нагревателей.

В лабораторных и небольших полупромышленных печах число нагревателей может быть 1, 2 или 3. Для промышленных печей число нагревателей кратно 3, так как они включены на трехфазный ток.

Расчетные методики нагревателей первой, второй и третьей групп различаются способом вычисления W в зависимости от типа передачи тепла от нагревателя к изделию, конструкции и материала нагревателя и ряда других факторов.