1. Короткі теоретичні відомості

Металеві нагрівальні елементи виготовляють зі сплавів з аустенітною структурою типу ніхромів і феритних високохромістих сталей з алюмінієм. Хімічний склад і характеристики найбільш розповсюджених сплавів приведені в додатку. Хромоалюмінієві стали мають високі жаростійкість і питомий електричний опір, але малу в'язкість (через сильний ріст зерна при нагріванні) і тому швидко руйнуються. При температурі до 1000 ^оС хромонікелеві сплави більш стійкі, але вони не можуть бути використані в печах з атмосферою, що містить SO₂ і H₂S.

Металеві нагрівачі випускають у вигляді дроту, стрічки і литих фасонних секцій; по конструкції вони можуть бути спіральними, зиґзаґоподібними й ободовими.

Спіральні елементи виготовляють із дроту. Внутрішній діаметр спирали залежить від температури печі і матеріалу нагрівальних елементів. У залежності від діаметра дроту, d, внутрішній діаметр спирали, D, беруть у наступних межах:

Робоча температура, оС	До 700	700-950	Більш 950
Діаметр спирали D	(7-10) d	(5-7) d	(4-5) d

Для хромоалюмінієвих сплавів, як більш тендітних, діаметр спирали приймають меншим. Крок навивки спирали беруть у середньому 2d, зазор між сусідніми витками - 1d.

Зиґзаґоподібні елементи звичайно виготовляють зі стрічки. Навивка виробляється зиґзаґами висотою 400–500 мм для ніхромової стрічки, а для хромоалюмінієвої стрічки зиґзаґ роблять висотою не більш 250 мм; крок навивки – подвоєна ширина стрічки.

2. Методика виконання розрахунку

Вихідними даними для розрахунку електричних нагрівальних елементів служать: сумарна потужність печі або зони, N_ , квт, лінійна напруга мережі, U, У, робоча температура печі, t_р , ^ОС , питомий електричний опір матеріалу нагрівача, _t , Ом^. см.

Розрахунком потрібно знайти перетин електронагрівника, q, мм² (або діаметр, d , мм), загальну довжину L , м. Іноді на практиці для визначення вартості нагрівача потрібно знайти його масу, G, кг.

На вітчизняних підприємствах більшість печей опору працює при напрузі 220 і 380 вольт. Для експлуатації дрібних печей прибігають до установки понижуючих трансформаторів (у цьому випадку при розрахунку нагрівальних елементів варто брати напругу вторинної обмотки трансформатора).

Спочатку вибирається число нагрівальних елементів і визначається потужність, що приходиться на один нагрівач: .

Варто мати на увазі, що в трифазних печах число нагрівальних елементів береться кратним трьом. Фазова напруга, U_ф , залежить від способу підключення нагрівача. При включенні нагрівача трикутником (між двох фаз):

U_ф = U_л ,

а при включенні зіркою (між фазою і нулем)

.

Відповідно до закону Ома:

, кВт. (2.1)

Підставивши в (2.1) замість R вираз:

,

одержимо

. (2.2)

У рівнянні (2.2) два невідомих – q і l, тому складається друге рівняння, що включає значення питомого поверхневого навантаження . Величина  чисельно дорівнює потужності випромінюваної 1 см² поверхні нагрівача:

, Вт/см² , (2.3)

де u – периметр поперечного переріза нагрівача, мм.

З урахуванням формули (2.3) одержуємо:

. (2.4)

Підставимо отримане вираження для l у формулу (2.3):

, кВт (2.5)

або

, мм² . (2.6)

Для дроту:

,

відкіля:

, мм . (2.7)

Для стрічки:

q^.u =2^.a^.b(a+b). (2.8)

Задаючи товщину стрічки а, можна по формулі (2.8) визначити її ширину b.

Отримані значення d і b необхідно округлити до найближчого значення, рекомендованого ДСТ 12766.1-81 і ДСТ 12766.2-81.

При остаточному виборі перетину нагрівальних елементів необхідно враховувати їхню довговічність, що в першому наближенні зв'язано з робочою температурою і матеріалом нагрівача (див. додаток).

Довжина нагрівального елемента для круглого дроту:

, м , (2.9)

для стрічки:

, м. (2.10)

Загальна довжина нагрівачів печі (або окремої зони печі):

L = n ^. l , м.

Маса нагрівачів дорівнює:

• для круглого дроту

G_пр = 0,786^.d^2.l^.^..10^-6 , кг; (2.11)

• для стрічки

G_лен = 0, 94^.a^.b^.l^.^..10^-6 , кг, (2.12)

де  - питома вага матеріалу нагрівача, кг/м³.

Сумарна маса всіх нагрівачів печі (або зони печі) дорівнює:

G_ = G ^. n, кг.

Для перевірки правильності знайдених розмірів поперечного переріза і довжини нагрівальних елементів необхідно визначити дійсне значення поверхневого навантаження _д. Через необхідність округлення поперечних розмірів нагрівачів відповідно до сортаменту на стрічку і дріт, величина питомого поверхневого навантаження може змінитися. Дійсну величину поверхневого навантаження знаходимо по формулі:

для дротових нагрівачів

для стрічкових

Отримані величини дійсних поверхневих навантажень не повинні перевищувати припустимих значень (див. додаток).

Поперечний переріз виводів нагрівачів, щоб уникнути перегріву, робиться в 4 - 6 разів більшим, ніж перетин самого нагрівача, а кінець виводу випускають з печі на 75 – 150 мм.