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
2. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ПРОВОЛОЧНОГО
НАГРЕВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
Проволочные металлические нагреватели делают из нихрома или
фехраля. Нихром – общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55…78 % никеля, 15…23 % хрома, с
добавками Mn, Si, Fe, Al. Фехраль (известный под маркетинговым названием «кантал») – прецизионный сплав на основе железа, состоящий из следующих элементов: Cr, Al, Si, Mn, остальное – Fe. Характеристики нихромовой проволоки приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристика нихромовой проволоки различных марок
Вес 1 погонного метра
Диа-
метр,
мм
Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю
0,6 2,374 2,317 2,233 421,26 431,53 447,92 0,283 3,93 3,93 –
0,7 3,231 3,154 3,039 309,5 317,04 329,08 0,385 2,89 2,89 –
0,8 4,22 4,12 3,969 236,96 242,74 251,96 0,502 2,21 2,21 –
0,9 5,341 5,214 5,023 187,23 191,79 199,08 0,636 1,75 1,75 –
1 6,594 6,437 6,202 151,65 155,35 161,25 0,785 1,41 1,41 –
1,2 9,495 9,269 8,93 105,31 107,88 111,98 1,13 0,98 0,98 –
1,3 11,144 10,879 10,481 89,74 91,92 95,41 1,327 0,84 0,84 –
1,4 12,924 12,617 12,155 77,37 79,26 82,27 1,539 0,72 0,72 –
1,5 14,837 14,483 13,953 67,4 69,05 71,67 1,766 0,628 0,628 –
1,6 16,881 16,479 15,876 59,24 60,68 62,99 2,01 0,552 0,552 –
1,8 21,365 20,856 20,093 46,81 47,95 49,77 2,543 0,436 0,436 –
2 26,376 25,748 24,806 37,91 38,84 40,31 3,14 0,354 0,354 0,414
2,2 31,915 31,155 30,015 31,33 32,1 33,32 3,799 0,292 0,292 0,342
2,5 41,213 40,231 38,759 24,26 24,86 25,8 4,906 0,226 0,226 0,265
2,8 51,697 50,466 48,62 19,34 19,82 20,57 6,154 0,18 0,18 0,211
3 59,346 57,933 55,814 16,85 17,26 17,92 7,065 0,157 0,157 0,184
3,2 67,523 65,915 63,503 14,81 15,17 15,75 8,038 0,141 0,139 0,162
3,5 80,777 78,853 75,968 12,38 12,68 13,16 9,616 0,118 0,116 0,135
3,6 85,458 83,424 80,371 11,7 11,99 12,44 10,174 0,111 0,11 0,128
4 105,504 102,992 99,224 9,48 9,71 10,08 12,56 0,09 0,089 0,104
4,5 133,529 130,349 125,58 7,49 7,67 7,96 15,896 0,0711 0,0705 0,0818
5 164,85 160,925 155,038 6,07 6,21 6,45 19,625 0,0576 0,0571 0,0662
5,5 199,469 194,719 187,595 5,01 5,14 5,33 23,746 0,0476 0,0472 0,0547
5,6 206,788 201,684 194,479 4,84 4,95 5,14 24,618 0,0459 0,0455 0,0528
6 237,384 231,732 223,254 4,21 4,32 4,48 28,26 0,04 0,0396 0,046
(п.м), г
Длина 1 кг, м
Сопротивление нихрома,
Сече-
ние,
2
мм
Ом / п.м
Окончание табл. 2
Вес 1 погонного метра
Диа-
метр,
мм
Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю Х20Н80 Х15Н60 ХН70Ю
6,3 261,716 255,485 246,138 3,82 3,91 4,06 31,157 0,0363 0,0359 0,0417
6,5 278,597 271,963 262,013 3,59 3,68 3,82 33,166 0,0341 0,0338 0,0392
7 323,106 315,413 303,874 3,09 3,17 3,29 38,465 0,0294 0,0291 0,0338
8 422,016 411,968 396,896 2,37 2,43 2,52 50,24 0,0225 0,0223 0,0259
9 534,114 521,397 502,322 1,87 1,92 1,99 63,585 0,0178 0,0176 0,0204
(п.м), г
Длина 1 кг, м
Сопротивление нихрома,
Сече-
ние,
2
мм
Ом / п.м
Для 60-литровой печи с сопротивлением нагревателя 8,06 Ом выберем провод диаметром dнэ = 1,5 мм и получим, что для искомого
сопротивления потребуется 10 м проволоки (табл. 3), которые будут
весить всего 140 г. Примерный конструктивный вид такой печи показан на рис. 6.
Таблица 3
Данные для расчета нихромового электронагревателя
Диаметр
проволоки,
мм
Сопротивление
1 м, Ом
1,5 0,815 72
2,0 0,459 40
2,5 0,294 25
3,0 0,204 18
3,5 0,15 13
4,0 0,115 10
Количество в 1 м
проволоки
1 кг, м/кг 1 м, кг
0,0139 0,000001766 7863,5
0,0250 0,000003140 7961,8
0,0400 0,000004906 8152,9
0,0556 0,000007065 7863,5
0,0769 0,000009616 7999,3
0,1000 0,000012560 7961,8
Объем 1 м
проволоки,
3
м
Расчетная плот-
ность нихромовой
проволоки, кг/м
3
Рис. 6. Примерный конструктивный вид однофазной
60-литровой печи
12 13
Проволоки длиной 10 м и диаметром 1,5 мм имеют сопротивление
10 ⋅ 0,815 = 8,15 Ом. Сила тока при напряжении 220 В будет 220 / 8,15 =
= 27 А. Мощность получится 220 ⋅ 27 = 5940 Вт = 5,94 кВт, а необходимая мощность Рнэ = 6 кВт. Однако одинокий раскаленный нагреватель в 60-литровой печи не является наилучшим конструктивным
решением. Возникают следующие вопросы. Не мал такой нагреватель
для такого объема? Будет ли равномерным нагрев садки? Создается
ощущение неполноты заполнения раб пространства нагревателем.
Проанализируем тепловую работу печи. Для 10 м нагревателя площадь поверхности проволоки составит 471 см2, а удельная поверхностная мощность нагревателя (поверхностная нагрузка) – 12,6 Вт/см2.
Опуская детали, укажем, что нагревателю необходимо раскалиться до
огромной температуры, прежде чем температура в печи существенно
повысится (табл. 4). Возникнет перекал НЭ.
Таблица 4
Параметры работы 60-литровой печи до максимальной температуры
Мощность НЭ, ВтУдельная мощ-
ность НЭ, Вт/л
2000 33,3 15,02 0,195
4000 66,7 12,01 0,18
8000 133,3 6,00 0,045
Время нагрева до максималь-
ной температуры печи, ч
Удельное время
нагрева, ч/(Вт/л)
Перекал нагревателя определяется значением поверхностной нагрузки p. На практике для каждого типа нагревателя существует
p, зависящее от материала нагревателя, его диаметра и температуры. Для фехралевой проволоки из отечественного сплава Х23Ю5Т
диаметра 1,5…4 мм можно пользоваться с хорошим приближением
р = 1,4…1,6 Вт/см2 для температуры 1200…1250 °C.
Физически перекал можно связать с разницей температуры на поверхности проволоки и внутри нее. Тепло выделяется во всем объеме,
поэтому чем выше поверхностная нагрузка, тем сильнее будут отличаться эти температуры (рис. 7). При температуре на поверхности,
близкой к предельной рабочей температуре, температура в сердцевине проволоки может приблизиться к температуре плавления.
Приемлемой границей возникновения перекала проволоки является p =2,0 Вт/см2. Если печь проектируется для температур до 1000 °C,
а НЭ – нихром Х20Н80, то поверхностную нагрузку можно выбрать
несколько выше, например 2…2,5 Вт/см2. Шведский кантал (это оригинальный сплав, аналогом которого является российский фехраль
Х23Ю5Т) допускает p до 2,5 Вт/см2 при 1250 °C.
а б
Рис. 7. Приемлемая граница возникновения перекала проволоки
из российского (а) и шведского (б) кантала
Подберем параметры НЭ для 60-литровой печи с мощностью
6 кВт. Рассмотрим такую печь с нихромовым нагревателем диаметром 2 мм и Rнэ = 8,06 Ом. Следовательно, длина проволоки составит
8,06 / 0,459 = 17,6 м, а масса – 464,2 г. Рассчитаем поверхностную нагрузку: p = 6000 / (1760 ⋅ 0,2 ⋅ 3,14) = 5,43 Вт/см2. Такая величина более, чем в 2 раза превышает допустимую норму (2,5 Вт/см2). Для проволоки диаметром 2,5 мм получится длина 27,5 м и p = 2,78 Вт/см
2
для проволоки диаметром 3 мм – длина 39 м и p = 1,66 Вт/см
.
2
Исходя из расчета можно НЭ изготовить из провода диаметром
3 мм и длиной 39 м. Если при разматывании бунта проволока порвется, то придется разматывать ее сначала. Поэтому проще использовать
два НЭ, включенных параллельно. При этом сопротивление каждого
НЭ должно быть не 8,06 Ом, а вдвое больше (рис. 8).
,
Рис. 8. Использование двух параллельно-подсоединенных нагревателей
Для проволоки диаметром 2 мм получится два НЭ длиной 17,6 ⋅ 2 =
= 35,2 м, на каждый придется по 3 кВт мощности, а поверхностная
нагрузка составит 3000 / (3520 ⋅ 0,2 ⋅ 3,14) = 1,36 Вт/см2, масса составит 1700 г. Таким образом,получим экономию 614 г нихрома и боль-
14 15
шее количество витков, которые можно более равномерно распределить по всем стенкам печи (рис. 9).
Рис. 9. Правильно распределенные нагреватели в 60-литровой печи
Значения предельной силы тока, текущей в нихромовых электро-
нагревателях различного диаметра, приведены в табл. 5.
Таблица 5
Предельные токи в нихромовых электронагревателях различного диаметра
Диаметр
проволоки, мм
1,5 10,8 9,6
2 16,5 14,8
2,5 23,4 20,7
3 30,8 27,3
3,5 38,5 34,3
4 46,8 41,9
для p = 2 Вт/см
Предельная сила тока, A
2
при 1000 °C для p = 1,6 Вт/см2 при 1200 °C
3. ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ
И ПОДСОЕДИНЕНИЕ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
Рассчитаем площади всех поверхностей, ограждающих рабочее
пространство печи, чтобы потом правильно, пропорционально площади, организовать подачу тепла. На рис. 10 приведен пример развертки внутреннего пространства 200-литровой печи.
Рис. 10. «Развертка» 200-литровой печи
(вид сверху, в центре – под, по бокам – стенки)
В разд. 1 установлено, что при схеме соединения «Звезда» в каждой фазе должен протекать ток 18,2 А. Из табл. 5 видно, что при диаметре проволоки 2,5 мм можно использовать один НЭ (предельный
ток – 20,7 А), а при диаметре проволоки 2,0 мм лучше использовать
два параллельно включенных НЭ (так как предельный ток – 14,8 А),
всего в печи их будет 3 ⋅ 2 = 6 шт.
По закону Ома рассчитывается необходимое сопротивление нагревателей. Для проволоки диаметром 2,5 мм R
= 220 / 18,2 = 12,09 Ом, а
НЭ
длина 12,09 / 0,294 = 41,1 м. Потребуется три таких провода для НЭ, примерно по 480 витков каждый, если наматывать проволоку на оправку диаметром 25 мм. Общая масса проволоки составит 41,1 ⋅ 3 ⋅ 0,04 = 4,9 кг.
16 17
Для проволоки 2,0 мм в каждой фазе два параллельных элемента, поэтому сопротивление каждого должно быть вдвое больше –
24,18 Ом. Длина каждого составит 24,18 / 0,459 = 52,7 м. Каждый элемент будет иметь 610 витков при той же намотке. Общая масса всех
шести нагревательных элементов 52,7 ⋅ 6 ⋅ 0,025 = 7,9 кг.
Удобство в этом случае заключается в том, что можно разделить
любую спираль на несколько кусков, которые затем соединить последовательно (рис. 11). Достоинства этого: а) удобный монтаж; б) при
выходе из строя четверти нагревателя, поменять нужно будет только
эту четверть.
Можно смонтировать в печи и целиковую спираль. Для этого на
дверце потребуется закрепить отдельную спираль, при этом в случае
диаметра проволоки 2,5 мм их необходимо будет всего 3 шт.
Рис. 11. Монтаж восьми независимых спиралей НЭ диаметром 2,5 мм
на стенках и двери печи на 1 фазе (при напряжении 220 B)
При подключении аналогичным образом трех фаз (рис. 12) не удается задействовать подогрев пода, который занимает 13,5 % общей
площади. Кроме того, спирали находятся в опасной электрической
близости друг к другу. Особенно опасно соседство спиралей на левой
стенке, где между ними есть напряжение 220 В (фаза - ноль - фаза ноль…), что неизбежно приведет к короткому замыканию.
Рис. 12. Монтаж восьми независимых спиралей НЭ диаметром 2,5 мм
на стенках и двери печи на трех фазах
Для диаметра проволоки 2 мм каждый НЭ длиной 52,7 м разделен
на четыре последовательные спирали с 610 / 4 =152 витками при намотке на оправку 25 мм (рис. 13).
Рис. 13. Вариант расположения нагревателей в случае диаметра
проволоки 2 мм
18 19
4. ОСОБЕННОСТИ НАМОТКИ,
УСТАНОВКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
Проволока удобна тем, что ее легко смотать в спираль, которую
потом можно растянуть до необходимой длины. Как правило, диаметр навивки D делают равным 6…8 диаметрам проволоки d. Оптимальным является шаг Н между витками, равный 2…2,5 диаметра
проволоки (рис. 14). Намотка ведется виток к витку, а затем полученная плотная спираль растягивается до нужной длины.
Толстая проволока может лопнуть во время намотки, которая проводится на токарном станке с очень медленной скоростью вращения
оправки. С особенной осторожностью проводится намотка сплава
Х23Ю5Т, который выпускается отпущенным (подвергнутым термообработке для снятия внутренних напряжений) и неотпущенным.
Проводят намотку только отпущенной проволоки.
Рис. 14. Диаметр и шаг навивки
Количество витков НЭ при намотке увеличивают на 5–10 витков.
Эта практика связана со следующими обстоятельствами: а) точно не
известен диаметр оправки и диаметр одного витка; б) диаметр проволоки может слегка отличаться по длине провода; в) удельное сопротивление сплава конкретной плавки может отличаться от справочного. После намотки следует измерить сопротивление НЭ очень точным
прибором, при этом нужно убедиться, что при короткозамкнутых
щупах прибор показывает ноль. Если на шкале наблюдается значащее число (порядка 0,02 Ом), то его следует вычесть из измеренного
значения. При измерении сопротивления спираль слегка растягивают,
чтобы исключить влияние межвитковых замыканий. Лишние витки
откусывают.
Лучше всего располагать спираль в печи на муллито-кремнеземистой трубке. Для диаметра навивки 25 мм подойдет трубка с наружным диаметром 20 мм, для диаметра навивки 35 мм – 30…32 мм.
Хорошо, если печь обогревается равномерно с пяти сторон (четыре стенки и под). На поде нужно концентрировать значительную
мощность, например 20…25 % всей расчетной мощности печи, компенсируя этим подсос холодного воздуха извне. Правильное расположение нагревателей по высоте и на поде делает нагрев более равномерным (рис. 15).
а б
Рис. 15. Неравномерный (а) и равномерный нагрев (б):
разница температур по высоте не превышает 30 °C
К сожалению, абсолютной равномерности нагрева достичь все
равно нельзя. Приблизится к ней можно, используя вентиляционные
системы с нижним отбором воздуха из печи (пример такой печи см.
http://forum.goncharnoe-delo.ru/post61.html#p61).
Во время первого нагрева или даже первых двух-трех нагревов на
поверхности проволоки образуется окалина. Надо не забыть удалить
ее как с нагревателей (щеткой), так и с поверхности плит, кирпичей
и т.д. Окалина особенно опасна, если спираль просто лежит на кирпичах: оксиды железа с алюмосиликатами при высокой температуре
(нагреватель в одном миллиметре от них) образуют легкоплавкие составы, из-за которых нагреватель может перегореть.
20 21
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]