1.5. Способы электронагрева и их применение

1.5.1. Получение теплоты за счет электрического тока. Электрический ток, как источник теплоты в теплотехнологических процессах технологии силикатных материалов, получил наибольшее распространение в тепловых установках керамического и стекольного производства (сушилках, печах обжига керамических изделий, в стекловаренных печах). Применение только электрического тока или в сочетании со сжиганием топлива позволяет полностью автоматизировать работу тепловых установок, повысить до 6070% их коэффициент полезного действия, улучшить условия труда и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

В технологии вяжущих материалов и изделий на их основе электрический ток может быть использован для прогрева бетонной массы перед формованием изделий и для их тепловлажностной обработки.

В тепловых установках применяют в основном ток промышленной частоты. Ток более высокой частоты иногда применяют в зоне осветления стекловаренных печей для интенсификации процесса, в специальных высокочастотных стекловаренных печах периодического действия, также для нагрева бетона. Работают тепловые установки на однофазном или трехфазном электрическом токе.

Получение теплоты за счет электрического тока может осуществляться прямым или косвенным нагревом, созданием электрической дуги, вихревых токов и др.

При косвенном электронагреве теплота передается материалу, расплаву излучением от раскаленного нагревательного элемента сопротивления.

При прямом нагреве роль нагревательного элемента выполняет сам материал или расплав. Обусловлено это тем, что расплав (стекломасса) при температуре выше 1000С становится проводником тока ионного типа. В результате прохождения тока через стекломассу выделяется теплота, количество которой вычисляется по закону Джоуля – Ленца

, Дж, (1.193)

где I  сила электрического тока, А; R  электрическое сопротивление стекломассы, Ом;   время нагрева, с.

Электрическую дугу создают между электродом и расплавляемой шихтой.

Вихревые токи создают (индуцируют) в сосуде с шихтой, вне шихты или непосредственно в самой шихте.

На практике наибольшее применение электрический ток получил для осуществления косвенного, прямого нагрева и электоронагрева с помощью электрической дуги.

1.5.2. Нагревательные элементы, электроды. Нагревательные элементы косвенного нагрева (нагреватели сопротивления) выполняют в виде проволоки, ленты, трубки разного сечения, имеющих форму спирали и зигзагов. Материалы для изготовления нагревателей сопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:

1) обладать относительно большим удельным сопротивлением (около 1,5·10^6 Ом·м);

2) иметь небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления;

3) не окисляться при длительном нагреве и обладать высокой механической прочностью.

В керамических печах применяют нагреватели, выполненные из сплавов, содержащих Cr, Ni, Fe, Mn и др., в частности нихром, кантал, хромель, хромалой и др. Так, нихром, содержащий 50% Ni, 22% Cr, 26% Fe и 2% Mn, рассчитан на рабочую температуру 970С; нихром состава 85% Ni, 15% Cr обеспечивает температуру 1050С; нихром состава 80% Ni и 20% Cr используется при температуре 1100С; кантал, имеющий состав (% мас.): Cr 22,6; Al 4,5; Co 2; C 0,009; Fe 72,61, создает рабочую температуру 1150С.

Железохромалюминиевые сплавы (хромель, хромалой), не содержащие дорогого никеля, используются на рабочую температуру до 1300С. Однако они не обладают достаточной механической прочностью.

Для достижения более высоких температур применяют нагревательные элементы из углерода или углесодержащих соединений  карборунда и другие, а также дисилицид молибдена.

Нагреватели из графита требуют защитной (инертной или восстановительной) среды при высоких температурах (2000С и выше). Удельное электрическое сопротивление графита и нагревателей из разных видов угля изменяется в зависимости от температуры в пределах 0,20,50 Ом ·м.

Широко применяются в керамических печах нагреватели из карборунда. Карборунд  соединение SiC с удельным сопротивлением при комнатной температуре (12 Ом·м). Удельное сопротивление его зависит от содержания примесей SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃.

Карборундовые нагреватели называют силитовыми от названия зарубежной фирмы «Силит». Величина зерен карборунда в силитовых нагревателях 120200 мкм, а в аналогичных нагревателях других фирм, например «Глобар»,  10200 мкм. Содержание Fe₂O₃ в них около 2%. Карборунд устойчив до 2200С. В процессе старения карборунда происходит его разложение до SiO₂ и СО. Увеличение в нем SiO₂ повышает сопротивление нагревательного элемента.

Подвод электрического тока к расплаву при прямом нагреве осуществляется с помощью электродов, которые выполняются из стали, угля, графитированного материала, молибдена, а также расплавленных металлов, например олова. Электроды могут быть стержневыми, коробчатыми, пластинчатыми.

1.5.3. Конструктивные особенности нагревательных устройств. Электрический ток к нагревательным элементам из карборунда в керамических печах подводят специальными контактными устройствами. Карборундовые нагреватели выполняются в виде стержней с постоянным или переменным диаметром по длине.

Для снижения температуры стержней у мест присоединения контактных устройств диаметр их делают увеличенным, а концы металлизируют. Этим снижают сопротивление и, соответственно, температуру контакта. Стержни при прохождении их через стены печи помещают в специальные высокоогнеупорные трубки. Контактные устройства при температуре обжига 1200С охлаждаются окружающим воздухом, при 1500С  применяют водяное охлаждение.

При использовании проволочных и ленточных нагревателей их устанавливают в печи на керамических трубах, в пазу или на керамической полочке на своде и стенах рабочей камеры.

Более сложным является расположение электродов в ванных стекловаренных печах (рис. 1.26).

Они могут быть установлены горизонтально, вертикально, проходить через стены, свод и дно печи, подсоединены к однофазному или трехфазному переменному току. При использовании однофазного тока и коробчатых пристенных электродов создается поперечное поверхностное электрическое поле, перпендикулярное рабочему потоку стекломассы (рис. 1.26, а), полусквозных стрежневых электродов  продольно-поперечное электрическое поле (рис. 1.26, б), сквозных стержневых электродов  продольное электрическое поле (рис. 1.26, в).

Рис. 1.26 . Некоторые схемы расположения электродов в электрической ванной печи при однофазной токовой нагрузке: А, Б  фазы тока

При подводе к электродам трехфазного тока в стекломассе может создаваться, кроме продольного поверхностного (рис. 1.27, а), смешанного поперечно-продольного (рис. 1.27, б), также и объемное электрическое поле.

Рис. 1.27. Схемы электрических полей в стекломассе при трехфазной токовой нагрузке. А, Б, В  фазы электрического тока

При установке одного ряда донных электродов в печи получают объемно-локальное электрическое поле (рис. 1.27, в). Если электроды располагают в несколько рядов по глубине бассейна печи, то в стекломассе может создаваться смешанное поперечно-продольное объемное электрическое поле (рис. 1.27, г).

Регулирование тока осуществляется регулировочными трансформаторами. Напряжение тока колеблется в пределах 60130 В для стекол щелочного состава и 200400 В для стекол мало- и бесщелочных. Токовая нагрузка печей может достигать 10006000 А.

1.5.4. Основы расчета нагревательных элементов косвенного нагрева. Исходными данными для расчета нагревателей сопротивления является температура тепловой обработки материала (изделий) и требуемый расход теплоты для тепловой обработки, установленный по тепловому балансу или условиям теплообмена.

По расходу теплоты рассчитывается установленная мощность нагревательных элементов (Р):

, кВт, (1.194)

где k коэффициент запаса мощности, принимаемый равным 1,11,3; Q_общ  расход теплоты на тепловую обработку, кДж/с.

Принимается допустимый для данных изделий температурный напор (Δt_н), являющийся движущей силой процесса теплообмена. Величина (Δt_н) может быть принята по табл. 1.17. Температурный напор должен обеспечивать равномерность нагрева, исключать образование трещин. Рассчитывается температура нагревателя (t_нс) по формуле

, (1.195)

где t_м  температура тепловой обработки материала (изделий), С.

Затем выбирается нагревательный элемент сопротивления, обеспечивающий рабочую температуру не ниже t_нс.

Нагревательные элементы сопротивления характеризуются допустимой удельной поверхностной мощностью (w_уд), которая рассчитывается, как

, Вт/м² (1.196)

где р_доп  допустимая мощность, Вт; F_нс  поверхность нагревателя, м².

При превышении р_доп нагреватели сопротивления разрушаются (перегорают).

В дальнейших расчетах вместо w_уд принимают величину w_р, равную

, Вт/м², (1.197)

где k₁  поправочный коэффициент, учитывающий эффективность излучения нагревателя, шаг и размеры нагревателя, отношение площади нагревателя к площади поверхности рабочей камеры.

Величина k₁ для нагревателей в виде проволочной спирали может быть принята равной 0,30,5, для ленточного зигзагообразного нагревателя  0,40,8.

Для определения размеров проволочного, ленточного или трубчатого нагревательных элементов сопротивления, размещаемых в рабочей камере, используют известные из курса физики формулы, устанавливающие связь мощности элемента сопротивления (Р) с его электрическим сопротивлением (R), зависящим от длины (l) и поперечного сечения (s):

, , , , ,

где U  напряжение, В; R  сопротивление, Ом; I  ток, А; Р  мощность элементов сопротивления, Вт; ρ  удельное сопротивление материала нагревателя при рабочей температуре, Ом·м; l  длина нагревателя, м; s  площадь сечения нагревателя, м².

Используя зависимость и принимая для проволочного нагревателя F_нс = П · l, где П  периметр сечения нагревателя, равный П = πd, находят связь между l нагревателя и w_p, р.

, м. (1.198)

Диаметр проволочного или пруткового нагревателя (d) находят из равенства

; (1.199)

, м. (1.200)

Длину проволочного (пруткового) нагревателя (величина l) находят либо из формулы , определив предварительно его диаметр, либо по формуле

, м. (1.201)

Для ленточных нагревателей прямоугольного сечения находят толщину ленты а по формуле

, м, (1.202)

где т  отношение ширины (в) к толщине (а) сечения ленты (в/а).

Для трубчатых нагревателей находят наружный диаметр трубы d_нар по формуле

, м, (1.203)

где m^’  принятое отношение толщины стенки трубы () и наружного диаметра (d_нар) трубчатого нагревателя (/ d_нар).

Длину ленточного и трубчатого нагревателя (l) находят из формулы .

Основы расчета нагревателей сопротивления из других материалов, например карборундовых, достаточно полно рассмотрены в [28].

1.5.5. Основы электротехнических расчетов при осуществлении прямого нагрева. В электротехнический расчет электрических печей с прямым нагревом входит определение электрического сопротивления, параметров тока для электродов и питающей сети, рабочего напряжения и площади электродов.

Расчеты основываются на предварительном выборе типа печи, ее размеров, удельном объемном съеме расплава, в частности стекломассы, выбранном виде электродов и их расположении.

Имеется ряд практических рекомендаций по установке электродов в печи. При горизонтальном расположении стержневых электродов соотношение длины и ширины бассейна принимается в пределах (1,5:1)(3:1). Ширина бассейна определяется длиной стержневых электродов. Первую пару электродов устанавливают на расстоянии 0,30,8 ширины бассейна от засыпочной стены.

Исходной величиной для проведения расчета является требуемая мощность печи Р, кВт. В комбинированных печах это будет та часть энергии, которая используется после получения расплава с помощью жидкого или газообразного топлива.

Требуемую мощность печи определяют по формуле, аналогичной (1.223)

, кВт, (1.204)

где k  коэффициент запаса (1,11,3); Q  количество необходимой теплоты, кДж/ч.

Величина Р может быть определена также по формуле

, кВт, (1.205)

где b  средний расход электроэнергии на варку стекломассы, (кВт · ч/кг); G  производительность печи по стекломассе, кг/ч.

Электрическое сопротивление стекломассы R зависит от ее удельного электрического сопротивления и расположения электродов.

Величину R стекломассы между пластинчатыми электродами рассчитывают по формуле

, Ом, (1.206)

где k₁  коэффициент, учитывающий влияние формы бассейна печи при установке электродов на дно бассейна; k₂  коэффициент, учитывающий удаление электродов от дна бассейна; F  площадь пластинчатого электрода, м²; l  расстояние между электродами; ρ  удельное сопротивление стекломассы при данной температуре, Ом · м.

Величины коэффициентов k₁ и k₂ рассчитывают с использованием схемы расположения пластинчатых электродов (рис. 1.28) и графиков (рис. 1.29, 1.30).

Рис. 1.28. Схема расположения пластинчатых электродов

Рис. 1.29. Значение коэффициента k1

Рис. 1.30. Значение коэффициента k2

В диапазоне k₁ и k₂ вычисляют по формулам

, (1.207)

. (1.208)

Электрическое сопротивление стекломассы с донными стержневыми электродами, расположенными в протоке печи (рис. 1.31), может быть рассчитано по формуле

, Ом, (1.209)

где k₁  коэффициент, найденный по формуле (1.235); l  расстояние между осями электродов, м; h_э  высота электродов, м; b  ширина протока, м.

Рис. 1.31. Схема расположения донных стержневых электродов

в протоке

Электрическое сопротивление стекломассы с пристенными коробчатыми электродами рассчитывается по формуле, аналогичной (1.208):

, Ом, (1.210)

где n₁  коэффициент, учитывающий неоднородность стекломассы (n₁ = 1,05 – 1,1); l  расстояние между электродами, м; F_ст  площадь сечения стекломассы, перпендикулярного направлению электрического тока, м².

Электрическое сопротивление между сквозными стержневыми электродами одинакового диаметра определяют по формуле

, Ом, (1.211)

где n₂  коэффициент, учитывающий расположение электродов по отношению к зеркалу стекломассы (n₂ = 1,3 – 1,4); L  длина электродов; l  расстояние между осями электродов, м; d  диаметр электродов, м.

Значение R определяют для каждой группы электродов, работающих в различных условиях, в том числе и при различной температуре стекломассы.

Рабочее напряжение U на электродах определяют по формуле

, В, (1.212)

где Р  мощность рассчитываемой группы электродов, Вт; R  сопротивление стекломассы, Ом.

Сила тока I при установленном рабочем напряжении составит

, А. (1.213)

Допустимая плотность тока (i, А/м²) на электродах зависит от материала электродов, состава и температуры стекломассы. Например, i для оконного стекла обычного состава и температуре 1400С при использовании графитовых электродов составляет (0,30,6) · 10^4, молибденовых 1 · 10^4 и стальных (0,70,8) · 10^4 А/м². При повышении температуры стекломассы допустимая плотность тока увеличивается.

В итоге определяют требуемую рабочую площадь электродов (F_эл) по формуле

, м². (1.204)

По полученным значениям i, F_эл, U проводится проверка принятых размеров бассейна печи и расположения электродов. При необходимости изменяют размеры бассейна и расположение электродов и вновь рассчитывают указанные параметры электрического тока.