1.3.5. Конструирование нагревательных элементов

В электрических печах сопротивления преобразование электрической энергии в тепловую происходит в нагревательных элементах (нагревателях). Работа нагревателя обычно происходит в тяжелых условиях, часто при предельно допустимых для материала, из которого он выполнен, температурах.

Таблица 7

Сводный тепловой баланс обжига в электропечи сопротивления

Статьи прихода	кВт	%	Статьи расхода	кВт	%
1. Теплота, генерируемая нагревателями			1. На нагрев изделий (для садочной печи от начальной до максимальной температуры, а для методической печи отдельно для каждой зоны и затем суммирование)
			2. На нагрев вспомогательных устройств (от начальной до максимальной температуры в случае садочной печи, отдельно по зонам, а затем суммирование для методической печи)
			3. На химические процессы, если они эндотермические
			4. На испарение физической влаги и нагрев паров воды
			5. Теплота, теряемая через футеровку печи (для пода, свода и стен считается отдельно, если футеровка этих элементов различна; для методических печей потери через футеровку считают для каждой функциональной зоны отдельно, а затем суммируют для расчета мощности печи)
			6. Теплота, аккумулированная футеровкой печи (для печей периодического действия)
			7. Теплота, теряемая через открытые отверстия
			8. Неучтенные потери
Итого		100	Итого		100

Допускается различие в приходной и расходной части баланса не более 0,5%.

Как правило, срок службы нагревателя определяет продолжительность работы всей печи до ремонта, поэтому увеличение срока службы нагревателей ЭПС является важной задачей, как с технической, так и с экономической точек зрения.

Одним из основных факторов, обусловливающих срок службы нагревателя, является максимальная температура, при которой он работает длительное время. Разность между температурой нагревателя и загрузкой зависит от условий теплопередачи. При оптимальном выборе конструкции и правильно выполненном расчете нагревателя эта разность минимальна, что позволяет добиваться одной и той же мощности и температуры в печи, эксплуатируя нагреватель в более мягких для него режимах.

«Старение» материала нагревателя в процессе работы обусловлено изменениями его физико-химических свойств. Оно может быть вызвано окислением, изменением химического состава сплава, распылением в вакууме и т. д. Часто нагреватель выходит из строя из-за местных перегревов задолго до достижения предельного состояния материала. Если температура нагревателя выбрана с запасом, то локальные перегревы не будут существенно сказываться на сроке службы нагревателя.

Расчет нагревательных элементов позволяет:

– оптимально расположить нагреватели в печи и тем самым уменьшить ее габариты и рационально использовать рабочее пространство;

– выбрать рациональную электрическую схему подключения нагревателей и питающее напряжение;

– выбрать экономически выгодную конструкцию нагревателя и его сечения, которые обеспечат минимальные капитальные затраты;

– оценить капитальные и эксплуатационные затраты при использовании нагревателей из различных материалов;

– определить срок службы выбранного нагревателя или подобрать нагреватель с заданным сроком службы.

1.3.5.1. Рекомендации по выбору материала. Материалы, предназначенные для изготовления нагревательных элементов, должны удовлетворять следующим требованиям:

– иметь достаточную жаростойкость (окалиностойкость) – способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием горячего воздуха или другой газовой среды;

– иметь достаточную жаропрочность – способность материала сохранять длительную прочность при высоких температурах;

– иметь большое удельное электрическое сопротивление . Для размещения нагревателя внутри печи удобнее иметь элемент большего сечения S и меньшей длины l. Кроме того, нагреватель с большим сечением имеет более длительный срок службы, а при заданном сопротивлении нагревателя R его длина тем меньше, а сечение тем больше, чем выше удельное электрическое сопротивление;

– иметь малый температурный коэффициент сопротивления, иначе для подключения нагревателя к сети требуется трансформатор напряжения, позволяющий в начальный момент, когда нагреватель имеет небольшую температуру, а следовательно, значительно меньшее удельное электрическое сопротивление, подать на печь пониженное напряжение;

– обладать постоянством электрических свойств во времени. Материалы, стареющие со временем, увеличивают свое сопротивление. Это усложняет эксплуатацию печи, так как требуется трансформатор с большим числом диапазонов напряжений;

– обладать постоянством размеров. Приходится предусматривать при конструировании нагревателя возможность его удлинения до 30–40%;

– иметь хорошую обрабатываемость, чтобы иметь возможность изготавливать проволоку, ленту, навивать из них спирали, сваривать нагреватели между собой.

Для изготовления нагревательных элементов печей сопротивления используют разнообразные материалы, способные работать в широком диапазоне температур, вплоть до 3000С (табл. 8). В табл. 9 представлены рекомендуемые и максимально допустимые температуры для некоторых из них. Обычно за рекомендуемую температуру работы нагревателя принимают ту температуру, при которой срок его службы составит 10 000 ч. Максимально допустимой считают температуру, при которой срок службы равен 2000 ч.

Как правило, нагреватели из одного и того же материала имеют более высокую рабочую температуру либо более длительный срок службы при непрерывном режиме работы по сравнению с работой в периодическом режиме.

Следует отметить, что максимально допустимая температура работы нагревателя зависит от его диаметра (или толщины).

Таблица 8