Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника методы расчета электрических печей для термообработки и нагрева. Учебно-методическое пособие
.pdf
№ 3307
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА
Кафедра энергоэффективных ресурсосберегающих
промышленных технологий
В.Ф. Бердышев
К.С. Шатохин
ТЕПЛОТЕХНИКА
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ И НАГРЕВА
Учебно-методическое пособие
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2018
УДК 669.04:621.365
Б48
Рецензент
доц., канд. техн. наук Р.Э. Найдёнов
Бердышев В.Ф.
Б48 Теплотехника : методы расчета электрических печей для тер-
мообработки и нагрева : учебно-метод. пособие / В.Ф. Бердышев, К.С. Шатохин. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. –
39 с.
ISBN 978-5-907061-38-5
Раскрыты принципы выбора электропитания и конструкции электрических печей различного технологического назначения. Проанализированы взаимосвязь объема, мощности и темпа нагрева печи. Рассмотрены варианты намотки, установки и оптимального расположения электрических нагревателей.
Содержится обзор по расчету нагревателей электрических печей. Рассматриваются материалы, используемые для изготовления нагревателей, их
свойства, достоинства и недостатки, условия работы (нихром, вольфрам, молибден и другие сплавы), описана цель расчета нагревателей, приведены методики и примеры их практического применения, справочные таблицы и ссылки
на ГОСТы, ТУ и пр.
Пособие предназначено для проведения практических занятий по дисциплине «Теплотехника» у бакалавров, обучающихся по направлению 22.03.02
«Металлургия».
ISBN 978-5-907061-38-5
УДК 669.04:621.365
В.Ф. Бердышев,
К.С. Шатохин, 2018
НИТУ «МИСиС», 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Выбор электропитания и конструкции проектируемой печи ........... 4
2. Принципы расчета проволочного нагревателя
электрической печи ................................................................................. 11
3. Оптимальное расположение и подсоединение нагревателей .........16
4. Особенности намотки, установки и эксплуатации
электронагревателей ...............................................................................19
5. Методика и примеры расчета нагревателей .....................................21
5.1. Требования к нагревателям ............................................................ 21
5.2. Материалы для изготовления нагревателей ................................. 22
5.3. Расчет нагревателей электрических печей ................................... 24
5.3.1. Определение диаметра и длины нагревателя
для заданной мощности печи (простой расчет) ............................. 26
5.3.2. Определение диаметра и длины нагревателя
для заданной печи (подробный расчет) ........................................... 28
Заключение .............................................................................................. 37
Библиографический список ................................................................... 38
3
1. ВЫБОР ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
И КОНСТРУКЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ
ПЕЧИ
Любую печь стоит рассматривать как индивидуальный объект. Не
бывает печей для обжига фаянса или игрушек, красной глины или бусин. Бывает просто печь (электрическая печь) с некоторым объемом
полезного пространства, выполненная из некоторых огнеупоров.
В эту печь можно поставить на обжиг разнообразные изделия: одну
большую или маленькую вазу, а можно – целую этажерку плит, на
которых будут лежать толстые шамотные изразцы. Температура для
обжига вазы или изразца может быть 1000 °C, 1300 °C. По многим
производственным или бытовым соображениям обжиг должен длиться 5…6 ч или 10…12 ч и т.д.
Поэтому, прежде чем приступить к расчету, нужно четко прояснить все необходимые технические характеристики объекта и технологические параметры процесса обжига. Если печь уже есть, но в ней
надо установить нагреватели или поменять старые на новые, тогда отпадает необходимость в конструировании. Если печь строится с нуля,
начинать надо с назначения габаритов камеры основного технологического процесса: высоты H, дм, ширины D, дм, и глубины, L, дм, т.е.
осуществить технико-технологическое проектирование.
Объем печи, л,
V = H ⋅ D ⋅ L. (1)
Рабочим пространством может быть камера с высотой Н = 490 мм,
шириной D = 350 мм и глубиной L= 350 мм. Полезный объем рабочего пространства печи с такой камерой равен 60 л (60-литровая
печь),Существуют и более крупные печи, например, с высотой
H = 800 мм, шириной D = 500 мм и глубиной L = 500 мм. Эта печь
будет 200-литровой.
Если правильно перевести миллиметры в дециметры, то объем
первой печи должен получиться 60 л, объем второй – действительно
200 л. Необходимо внимательно относиться к размерностям, самые
распространенные ошибки в расчетах – ошибки в размерностях.
Габаритные размеры печи зависят от материала и типа футеровки
стенок. Практически все современные печи выполнены из легких огнеупоров с низкой теплопроводностью и теплоемкостью. Очень старые печи сделаны из тяжелого шамота; их легко узнать по массивной
4 5
футеровке, толщина которой чуть ли не равна ширине камеры и во
время обжига 99 % энергии будет тратиться на нагрев стенок (аккумуляцию тепла футеровкой), а не изделий. Если стенки выполнены из
современных материалов (МКРЛ-08, ШВП-350), то на нагрев стенок
будет тратиться всего 50…80 % энергии. Масса загрузки также оказывает влияние на темп нагрева, несмотря на то что она меньше массы огнеупоров стенок, пода и свода печи.
Примером промышленной электрической печи для термообработки является горизонтальная проходная муфельная электропечь двухстороннего нагрева ПЭП-ХТ-60-220. Она встроена в технологическую линию нанесения каталитической фазы на металлические сетки
и предназначена для предварительной термической очистки сеток,
т.е. удаления масел и органических загрязнений с их поверхности путем нагрева сеток выше температуры воспламенения масел и загрязнений.
Мощность печи – это количество тепла, выделяемое нагревателем
в 1 с. Единица измерения мощности – ватт (сокращенно Вт). Яркая
лампочка накаливания – это 100 Вт, электрический чайник – 1000 Вт,
или 1 киловатт (сокращенно 1 кВт). Если включить нагреватель мощностью 1 кВт, то он будет каждую секунду выделять тепло, которое
по закону сохранения энергии уходит на нагрев стенок, изделий, теряется в виде потерь с воздухом через щели. Теоретически, если никаких потерь через щели и стенки нет, то 1 кВт в состоянии нагреть
все что угодно до бесконечной температуры за бесконечное время.
Практически для печей известны реальные (примерные средние) теплопотери, поэтому есть следующее правило-рекомендация:
Для нормального темпа нагрева печей объемом 10…50 л на
каждый литр объема нужна мощность 100 Вт/л, а для печи объемом 100…500 л нужна мощность 50…70 Вт/л (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Практическое правило-рекомендация для выбора мощности печей
Объем печи, л
Мощность, требуемая для нормального
темпа нагрева печи, Вт/л
10 50 100 500
110 100 50 70
Значение удельной мощности следует определять не только с учетом объема печи, но и массивности футеровки и загрузки (чем больше
масса загрузки, тем больше и другие параметры). В противном случае
печь нагреется, но за более длительное время. Для 60-литровой печи
требуется удельная мощность 100 Вт/л, а для 200-литровой – 60 Вт/л.
R
U
I =
Соответственно получим, что мощность нагревателей 60-литровой
печи должна составлять 60 ∙ 100 = 6000 Вт = 6 кВт, а для 200-литровой – 200 ∙ 60 = 12000 Вт = 12 кВт. Следовательно, объем увеличился
в 3,333 раза, а мощность – только в 2.
Рис. 1. Оценочный расчет объема рабочего пространства
и требуемой мощности печи
Что делать, если потребляемая мощность ограничена: например, вместо 6 кВт разрешено использование только 4 кВт, но нужна
60-литровая печь? Тогда можно посчитать нагреватель и на 4 кВт, но
смириться с тем, что стадия нагрева при обжиге будет продолжаться
10…12 ч. Бывает, что, наоборот, необходим нагрев очень массивной
загрузки за 5…6 ч. Тогда в 60-литровую печь придется вложить 8 кВт
и не обращать внимание на раскалившуюся докрасна проводку. Для
дальнейших рассуждений ограничимся классическими мощностями –
6 и 12 кВт.
Чтобы осознать взаимосвязь объема, мощности и темпа нагрева
печи, необходимо ответить на следующие вопросы. Почему увеличение объема печи не пропорционально повышению требуемой удельной мощности? К чему приводит увеличение массы садки печи? Какой тип футеровки менее энергозатратен? Какие факторы влияют на
энергопотребление печи?
Если известна мощность, то становится известна и потребность в
тепле для нагрева. По закону сохранения энергии та же мощность забирается из электрической сети:
Pнэ = Uнэ ⋅ Iнэ, (2)
где Pнэ – мощность нагревательного элемента (НЭ), Вт;
6 7
Uнэ – напряжение на НЭ, В;
R
U
I =
Iнэ – сила тока через НЭ, А.
При этом следует учитывать два обстоятельства: 1) напряжение
нужно измерять на концах нагревателя, а не вообще в розетке; 2) ток
протекает именно через этот нагреватель, а не вообще в системе питания (через автомат питания сети).
Напряжение в сети всегда задано с подстанции. При нормальной
работе (не в час пик) оно в обычной бытовой сети будет 220 В, в промышленной трехфазной сети между любой фазой и нулевым проводом –220 В, а между любыми двумя фазами –380 В. Таким образом в
бытовой, однофазной сети напряжение – только 220 В, в случае трехфазной сети есть выбор – 220 или 380 В. Ток получается автоматически из напряжения и сопротивления НЭ в соответствии с законом
Ома для участка электрической цепи:
где U – напряжение на участке, В;
R – сопротивление участка, Ом.
Для того чтобы получить 6 кВт из однофазной сети, нужен ток
Iнэ = 6000 / 220 = 27,3 А. Это большой, но реальный ток хорошей
бытовой сети. Например, такой ток течет в электроплите, у которой
включены духовка и все конфорки на полную мощность. Чтобы получить в однофазной сети 12 кВт для 200-литровой печи, потребуется
вдвое больший ток: 12 000 / 220 = 54,5 А! Это недопустимо ни для
какой бытовой сети. Лучше воспользоваться тремя фазами, т.е. распределить мощность на три линии. В каждой фазе будет протекать:
12 000 / 3 / 220 = 18,2 А.
Пока не известно, какие нагреватели будут использованы в печи,
какое напряжение (220 или 380 В) будет подано на нагреватели, но
точно известно, что от трехфазной сети нужно отобрать 12 кВт, нагрузку распределить равномерно, т.е. по 4 кВт в каждой фазе. Тогда
каждому фазному проводу входного (общего) автомата печи и счетчика электроэнергии потечет 18,2 А (но совсем не обязательно, что
такой ток потечет по нагревателю), по нулевому проводу тока не будет из-за особенностей трехфазного питания. Кроме того, если в объеме печи выделяется 12 кВт, то по закону сохранения энергии те же
12 кВт проходят по трем фазам, по каждой 4 кВт.
, (3)
Для случая однофазной 60-литровой печи (рис. 2) легко найти,
что сопротивление нагревателя должно составлять Rнэ = 220 / 27,3 =
= 8,06 Ом.
Рис. 2. Электрическая схема однофазной печи
Для трехфазной печи потребуется три одинаковых цепи нагрева.
На рис. 3 показана самая общая электросхема 200-литровой печи, содержащая три фазы А, В, С и нейтраль N.
Рис. 3. Электрическая схема трехфазной печи
Мощность 200-литровой печи надо равномерно распределить на
три цепи – A, B и C что можно сделать двумя способами (рис. 4, 5).
Эти варианты подсоединений называются «Звезда» и «Треугольник».
Каждый нагреватель можно включить или между фазой и нулем, или
между двумя фазами.
8 9
Рис. 4. Нагреватели трехфазной печи соединены по схеме «Звезда»
Рис. 5. Нагреватели трехфазной печи соединены
по схеме «Треугольник»
В первом случае на концах каждой цепи нагрева будет 220 В, и ее
сопротивление составит R = 220 / 18,2 = 12,08 Ом. Во втором случае
на концах каждой цепи нагрева будет 380 В. Для получения мощности 4 кВт нужно, чтобы ток был I = 4000/380 = 10,5 А, а сопротивление – R = 380 / 10,5 = 36,19 Ом. Как видно из значений необходимого
сопротивления, поменять просто так схему питания со «звезды» (нагреватели по 12,08 Ом) на «треугольник» (нагреватели по 36,19 Ом)
не получится, – в каждом случае нужны свои нагреватели.
В схеме «Звезда» каждая нагревательная цепь включена между фазой и нулем на напряжение 220 В. По каждому нагревателю сопротивлением 12,08 Ом течет ток 18,2 А, по проводу N ток отсутствует.
В схеме «Треугольник» каждая нагревательная цепь включена
между двумя фазами на напряжение 380 В. По каждому нагревателю
сопротивлением 36,19 Ом течет ток 10,5 А. По проводу, соединяющему точку А1 с автоматом питания (точка А) в линии А1–А течет ток
18,2 А, так что 380 ∙ 10,5 = 220 ∙ 18,2 = 4 кВт! Аналогично с линиями
B1–В и С1–С.
10 11
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]