1.2. Нагревательные элементы

Нагревательные элементы – основная и наиболее ответственная часть печи. Работа нагревателей происходит в очень тяжелых температур­ных условиях, часто при предельно допустимых для материала, из которого они выполнены, температурах. Поэтому, если срок службы остальных механизмов и деталей печей (кроме жароупорных деталей, находящихся в зоне высоких температур) исчисляется многими годами, то нагревательные элементы выходят из строя и требуют замены через один-два года. Такая недолговечность нагревателей приводит к частым ремонтам и простоям печей и снижает надежность их, кроме того, нагреватели выполняются из дорогих и дефицитных материалов и стоимость их является весьма существенной составляющей себестоимости нагрева.

По конструктивному исполнению металлические нагреватели бывают трех видов: зигзаг проволочный и ленточный (рис. 1.6, а), спираль (рис. 1.6, б).

Рис. 1.6. Схемы исполнения нагревателей:

а – зигзаг проволочный и ленточный; б – спираль

Большое распространение для низких температур получили ТЭНы (трубчатые нагреватели). Они представляют собой трубку диаметром 7-15 мм из обычной (до 400 °С) или нержавеющей (до 700 °С) стали, по оси которой располагается спираль из нихромовой проволочки (диаметр 0,5-1,5 мм). Пространство между трубкой и спиралью заполняется порошком из окиси магния, которая уплотняется в монолит.

Трубчатые нагреватели широко применяются в низкотемпературных печах, сушильных, нагревательных и плавильных, а также в электрокалориферах и в бытовых нагревательных приборах (плитках, утюгах, водоподогревателях и т. д.).

Расчет нагревательных элементов выполняют для определения по заданному температурному режиму размеров (сечения и длины) и размещения нагревательных элементов в камере печи. Исходными данными для расчета являются мощность печи, напряжение, материал и температура изделия, габариты рабочей камеры и атмосфера в печи. Так как нагревательные элементы могут включаться по различным схемам, то расчет ведут для одного нагревателя, понимая под этим один или несколько нагревательных элементов, соединенных последовательно при расчетном напряжении. Поэтому следует в расчете брать мощность нагревателя и поверхность печи, на которой он размещен.

В стационарном режиме при заданной температуре к нагревателю подводится электрическая мощность

которая равна тепловой, отдаваемой поверхностью нагревателя изделию,

где удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см²; – площадь поверхности нагревателя, см².

При расчете нагревателей удельная поверхностная мощность яв­ляется важнейшей исходной величиной. При прочих равных условиях ею определяется температура нагревателя и связанный с ней срок его службы. Для определения рассмотрим идеализированную картину нагрева изделия, когда: а) тепло передается излучением; б) нагреватель в виде сплошного тонкого листа охватывает загрузку; в) тепловые потери отсутствуют. Тогда по формуле удельную поверхностную мощность идеального нагревателя можно представить как

где , – абсолютные температуры нагревателя и изделия; , – относительные коэффициенты излучения нагревателя и изделия.

В большинстве случаев Тогда,

Для этого случая кривые зависимости удельной поверхностной мощности идеального нагревателя от температуры показаны на рис. 1.7. Здесь же для предварительной оценки указаны ориентировочно максимальные мощности , кВт/м², размещаемые на 1 м² футеровки свободно излучающих систем нагревателей в зависимости от температуры изделия и нагревателя.

Рис. 1.7. График зависимости ,

при различной температуре нагревателя

Картина лучистого теплообмена в камере печи с реальными нагревателями отличается от идеальной, так как не все излучаемое ими тепло попадает на изделие. Часть лучей попадает на соседние нагреватели и футеровку. Поэтому вводят условную эффективную поверхность нагревателя площадью , считая, что Тогда

где – коэффициент эффективности излучения нагревателя, который зависит от взаимных поверхностей облучения нагревателя, изделия и стенок печи, их приведенных коэффициентов излучения и от относительной величины тепловых потерь.

В табл. 1.1 представлены рекомендуемые значения .

Таблица 1.1

Рекомендуемые значения

при нагреве различных материалов

Тип нагревателя	Материал нагреваемых изделий
	Сталь	Медь	Латунь	Сталь в защитной оболочке	Алюминий
Спираль на керамической трубе	0,46	0,47	0,48	0,49	0,51
Спираль в пазу	0,31	0,32	0,33	0,34	0,36
Спираль на керамической полочке	0,39	0,40	0,41	0,44	0,47
Ленточный зигзаг свободный подвешенный	0,46	0,47	0,48	0,51	0,54
Ленточный зигзаг в пазу	0,44	0,45	0,46	0,50	0,54
Ленточный зигзаг на керамической полочке	0,41	0,43	0,44	0,47	0,50
Проволочный зигзаг свободно подвешенный	0,68	0,69	0,71	0,73	0,75
Проволочный зигзаг в пазу	0,56	0,57	0,56	0,6	0,53

При определении поверхностной мощности следует учитывать следующие условия:

1) температура нагревателя не должна превышать максимальную рабочую для данного изделия;

2) выбор конструкции и способа размещения нагревателя влияет на коэффициент эффективности и значение ;

3) вследствие зависимости между сечением, длиной нагревателя и удельной поверхностной мощностью может оказаться, что для найденного сечения длина столь велика, что нагреватель не размещается в печи. Тогда увеличивают сечение и снова производят расчет. Как по условию размещения, так и по продолжительности работы берут большее сечение, если напряжение на нагревателе допускает это.

Для определения размеров нагревателя по значению введем следующие обозначения характеристик материала нагревателя:

– сопротивление, Ом;

– удельное сопротивление материала при рабочей температуре, .

– длина, м;

– сечение, мм²;

– диаметр проволочного нагревателя, мм;

– соответственно толщина и ширина сечения ленточного нагревателя, мм;

– периметр, мм.

Выразим длину нагревателя из выражений соответственно

Приравняв эти два выражения, найдем размеры сечения

Для проволочных нагревателей (спиральных, зигзагообразных, стержневых) периметр равен , сечение Тогда

откуда диаметр, мм,

У ленточных нагревателей обычно отношение ширины к толщине

Учитывая, что периметр , сечение толщина ленты

Длина нагревателя, м, изготовленного из материала круглого сечения,

из материала прямоугольного сечения

Масса нагревателя где – плотность материала нагревателя, кг/м³. Для размещения нагревателей в рабочем пространстве печи необходимо определить длину спирали или гармошки для выбранного конструктивного исполнения нагревателя и проверить соответствие необходимого для них места с имеющимся в печи, предназначенным для размещения нагревателей.

Рассмотренный расчет нагревательных элементов для печей с теплопередачей излучением можно распространить и на низкотемпературные печи. Но допустимую удельную поверхностную мощность нагревателя определяют по-другому, так как в низкотемпературных печах существенное значение в процессах теплообмена внутри рабочей камеры печи имеет конвекция.

Для проведения ориентировочных расчетов нагревателей круглого и прямоугольного сечения с отношением построены номограммы (рис. 1.8), связывающие мощность, выделяемую нагревателем, напряжение, сечение, длину и удельную поверх­ностную мощность. Номограммы построены для наиболее применяемых сплавов X15Н60, Х20Н80, ОХ23Ю5А (ЭИ-595) и ОХ27Ю5А (ЭИ-626). По осям координат отложены следующие величины: по оси – длина нагревателя, м, при напряжении , В; по оси – мощность нагревателя, кВт, для того же напряжения; по оси – напряжение , В. Кривые 1, 2, 3, ..., соответствуют определенным значениям удельной поверхностной мощности нагревателя, Вт/см², кривые S1, S2, S3, ..., – некоторым значениям сечений нагревателя, кривые – определенным длинам нагревателя, кривые P1, P2, P3,…, – ряду значений мощностей нагревателя.

Рис. 1.8. Номограммы для расчетов нагревательных элементов

Номограммы особенно эффективны при сравнении различных вариантов нагревателей и выборе оптимальных решений. Имеются универсальные номограммы, по которым можно определить размеры нагревателей с сечением любой формы и различным удельным электрическим сопротивлением.

Для определения сечения и длины нагревателя из точки 1 оси , соответствующей заданному напряжению , проводят вертикальную прямую до пересечения в точке 2 с кривой заданной мощности . Из точки 2 проводят горизонтальную прямую до пересечения с кривой, соответствующей удельной поверхностной мощности (например, точка 3). Точка 3 соответствует диаметру проволоки или толщине ленты с отношением сторон нагревателя сечением .

Для определения длины нагревателя из точки 3 опускают перпендикуляр на ось до точки 4, пересечения с горизонтальной прямой, проведенной из точки 1. Полученная точка 4 соответствует искомой длине нагревателя.

Срок службы нагревателя пропорционален его диаметру, поэтому для промышленных печей обычно берут проволоку диаметром не менее 5 мм.

В процессе расчёта нагревателей необходимо также подобрать его допустимую температуру и материал (см. табл. 1.2).

Допустимая температура материала должна быть равна

Зная , можно выбрать материал, исходя из предельно допустимой рабочей температуры.

По окончательным расчётам необходимо разместить нагреватели в печи. Расположение нагревателей в печи должно соответствовать расположению в ней изделий, для того чтобы обеспечить наилучшие условия для теплопередачи. При размещении в печи изделий, вытянутых в вертикальном направлении, следует нагреватели размещать в первую очередь на боковых стенках. При низких, плоских изделиях основная мощность нагревателей, наоборот, должна быть сосредоточена на своде и в поду. Разбивка нагревателей печи на отдельные тепловые зоны значительно улучшает управление печью и облегчает поддержание в ней равномерной температуры. Размеры нагревательных элементов рекомендуются следующие:

Спираль

Проволочный зигзаг

Ленточный зигзаг

Таблица 1.2

Рекомендуемая и максимально допустимая

температура нагревателя

Наименование материала нагревателя	Рекомендуемая температура, оС		Максимально допустимая температура, оС
	Непрерывный режим	Прерывный режим	Непрерывный режим	Прерывный режим
Х20Н30 и Х20Н80Т	1050	1000	1150	1100
Х15Н60	950	900	1050	1000
Х13Ю4 (фехраль)	750	650	900	800
0Х23Ю5А	1050	1000	1200	1150
0Х27Ю5А	1150	1100	1300	1250
Карбид кремневые нагреватели	1350	1300	1450	1400
Нагреватели из дисилицид молибдена	1550	1500	1700	1650

Рекомендации по выбору конструкции нагревателей следующие:

1) для повышения срока службы и надежности нагревателей нужно стремиться к большей площади сечения при минимальном его периметре. Оптимальным является круглое сечение, обладающее максимальной массивностью ( );

2) оптимальной конструкцией нагревателей по сроку службы, годовому расходу и эксплуатационным расходам (расход материала нагревателя за 100 ч его работы на I кВт установленной мощности) при одинаковой мощности, выделяемой с 1 м² стенки печи, является зигзаг из проволоки;

3) наилучшей конструкцией по возможности использования максимального напряжения является спираль, на втором месте – проволочный зигзаг, на третьем – ленточный зигзаг. Именно по этой причине спираль в настоящее время находит весьма широкое применение, так как позволяет в большинстве случаев подключать нагреватели непосредственно к цеховой сети без применения специальных понизительных трансформаторов.

Конструктивном недостатком спирали является отсутствие строго фиксированного шага, что приводит к местным перегревам в местах сгущения витков, замыканию витков, к преждевременному выходу нагревателя из строя.