2.5.6 Тепловой расчет электрической печи

При тепловом расчете электропечи составляется тепловой баланс, рассчитываются ее электронагреватели (обычно металлические), а затем они размещаются на стенках рабочего пространства печи.

Тепловой баланс электропечи составляется почти так же, как и топливной печи, а имеющиеся отличия сводятся к отсутствию в тепловом балансе Q_физ и Q_д, поэтому не имеет смысла еще раз рассматривать составление теплового баланса. Отметим еще, что как и для топливных печей, для печей непрерывного действия баланс составляется на период нагрева и выдержки, а для печей периодического действия – отдельно для периода нагрева и периода выдержки.

Расчетная мощность печи N_p = ΣQ_затр (сумме всех затрат, в том числе и Q_н.п.). Для страховки от понижения цехового напряжения установочная мощность печи N_уст = (1,3 – 1,5)N_р.п.. Ниже рассмотрена методика расчета электронагревателей, их конструирования и размещения на стенках рабочего пространства печи. Студентам же, у которых для термообработки выбраны электрические печи, сначала необходимо составить их тепловой баланс, а затем уже рассчитать электронагреватели.

Наиболее доступно методика расчета электронагревателей приведена в [7, с. 47-50]. Там же приведены составы сплавов для электронагревателей и необходимые справочные данные (табл. 1.13-1.16). Начинать надо расчет с формирования исходных данных. К ним относятся: установочная мощность N_уст, кВт (определяется ранее из теплового баланса); максимальная рабочая температура печи t_п, ºС (определяется при расчете нагрева садки с округлением до 50 º, например, 900, 950 ºС); марка сплава (рекомендуется выбирать хромо-алюминиевые стали (табл. 1.13)); удельное электрическое сопротивление ρ_t (в табл. 1.3 допущена опечатка единицы измерения ρ_t); допустимая удельная мощность излучения с 1 см² поверхности нагревателя ν_t, Вт/см² (табл. 1.15), рабочее напряжение тока нагревателей U_р= 220, а лучшее 380 В; тип нагревателя – проволочный, или ленточный.

Записав в таблице перечисленные исходные данные и выбрав число нагревателей из расчета 15-30 кВт на 1 нагреватель при их кратности, равной 3 – м, определите диаметр проволоки или толщину ленты по формулам:

1. Для проволоки , мм (2.48)

2. Для ленты (при b=10а) , мм (2.49)

где N₁ – мощность одного нагревателя, кВт (N₁ = 15-30 кВт);

ρ_t – удельное электрическое сопротивление при рабочей температуре, Ом·мм²/м;

U_p –рабочее напряжение на нагревателе, В;

ν_t –допустимая удельная мощность нагревателя при рабочей температуре печи, Вт/см²;

а – толщина, b – ширина ленты, мм.

После определения диаметра проволоки (или толщины ленты) по формулам (2.50), (2.51) определите длину l₁ нагревателя

для проволоки , м (2.50)

для ленты , м (2.51)

где , Ом – электрическое сопротивление нагревателя, а все остальные величины указаны в пояснениях к формулам (2.48) и (2.49).

Полученные расчетные размеры нагревателя необходимо проверить, используя выражение ν_д ≈ ν_t , т.е. действительная удельная мощность ν_д нагревателя должны быть примерно равной допустимой мощности.

, Вт/см² (2.52)

где , или – поверхность нагревателя, см².

Если расхождения между ν_д и ν_t существенное (> 10 %), то в расчете допущена ошибка и его нужно проверить.

Проволочный нагреватель необходимо сформировать в цилиндрическую спираль, а ленточный – в зигзагообразную спираль, используя рекомендации [7, с. 45]. Затем, определив длину одного витка цилиндрической спирали, или длину одного зигзага, определите длину спирали L_сп по соотношению

, м (2.53)

где Z – шаг спирали, м;

l₁ – длина проволоки или ленты нагревателя;

l_в – одного витка или зигзага, м.

Теперь спирали нужно разместить на стенках рабочего пространства печи. Прежде всего, нужно попытаться нагреватели разместить на поду и боковых стенках печи, так как на этих поверхностях их наиболее удобно закреплять и менять. Если же это не получится, то для размещения нагревателей нужно также использовать заднюю торцевую стенку, свод и даже дверцу загрузочно-разгрузочного окна. Примеры крепления нагревателей смотрите в [7, с. 46]. Размеры поверхностей пода, боковых стенок и др. берутся из чертежа печи. В качестве примера на рисунке 2.12 показана схема размещения 2-х нагревателей на боковой стенке печи СНО-6.12.4/10.

Исходные данные для размещения спиралей:

1. L₁=L₂=4400 мм – длина одной спирали;

2. D₁=D₂=40 мм – наружный диаметр спирали;

3. Δ₁=Δ₂=56 мм – шаг зигзага спирали;

4. L₃=1100 мм – длина зигзага.

1, 2, 3 – электроды для подвода электрического тока

Рисунок 2.12 – Схема размещения двух нагревателей на боковой стенке

Как видно из приведенной схемы, две спирали с приведенными параметрами размещаются на боковой стенке. Еще 2-е спирали разместятся на второй боковой стенке, и еще 2-е – на поду печи. Однако, если общее количество нагревателей было принято не 6, а 9, то придется использовать заднюю стенку и свод печи. В пояснительной записке студент должен привести размещение нагревателей на развертке рабочих поверхностей печи с указанием необходимых размеров. Ниже приведена развертка этих поверхностей. Если нагреватели размещаются на боковых стенках и поду, то достаточно изобразить только их.

Рисунок 2.13 – Развертка поверхностей рабочего пространства печи: 1 – под; 2 – боковые стенки; 3 – торцевая стенка; 4 – свод