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
Данная температура будет выше температуры плавления материала
нагревателя.
Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя. Далее, в п. 5, будет приведен пример с правильным подбором диаметра.
Для каждого материала в зависимости от требуемой температуры
нагрева определено допустимое значение поверхностной мощности.
Оно может определяться с помощью специальных таблиц или графиков. В данных расчетах используются таблицы.
Стоит отметить, что обычно при расчетах нагревателей рассматривают температуру печи – условную температуру, среднюю между
температурами стен и нагревателей. Она ограничивается допустимой рабочей температурой нагревателей и должна быть по крайней
мере на 50 °С меньше последней. Однако температура печи не должна сильно превышать заданную температуру нагрева изделия, так как
это может привести к его перегреву в случае несвоевременного отключения печи.
Для высокотемпературных печей (при температуре более
700…800 °С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м
2
, равна
βдоп = βэф ⋅ α, (5)
где βэф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от
температуры тепловоспринимающей среды, Вт/м
2
(выбирается по
табл. 6);
α – коэффициент эффективности излучения (выбирается по
табл. 7).
Если печь низкотемпературная (температура менее 200…300 °С),
то допустимую поверхностную мощность можно считать равной
40…60 Вт/м
2
.
Предположим, что температура нагревателя 1000 °С. Требуется
нагреть заготовку до температуры 700 °С. Тогда по таблице, представленной на рис. 18, подбираем βэф = 8,05 Вт/см
2
, а по таблице,
представленной на рис. 19, α = 0,2. Далее рассчитаем допустимую поверхностную мощность нагревателя βдоп = 8,05 ⋅ 0,2 = 1,61 Вт/см
= 1,61 ⋅ 10
4
Вт/м2.
2
=
Рис. 18. Эффективная удельная поверхностная мощность нагревателей
62 2 4
6 42
Рис. 19. Значение коэффициента эффективности излучения
5. После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также
длину.
Диаметр проволоки
⋅ρ ⋅
t
U
2
P
, (6)
доп
32 33
d
3
=
π ⋅ ⋅β
4
22
где P – мощность нагревателя, Вт;
62 2 4
6 42
U – напряжение на концах нагревателя, В;
βдоп – допустимая поверхностная мощность нагревателя, Вт/м
– удельное сопротивление материала нагревателя при заданной
ρ
t
температуре, Ом∙м
2
;
ρ
здесь ρ
– удельное электрическое сопротивление материала нагрева-
20
= ρ20 ∙ k, (7)
t
теля при 20 °С, Ом∙м;
k – поправочный коэффициент для расчета изменения электри-
ческого сопротивления в зависимости от температуры (по ГОСТ
12766.1–90).
Длину проволоки можно определить по следующей формуле:
2
PUl⋅
3
=
4
⋅π⋅ρ ⋅β
. (8)
2
допt
Подберем диаметр и длину проволоки из нихрома Х20Н80.
Удельное электрическое сопротивление материала нагревателя ρ
составляет 1,13 ∙ 10
–6
∙ 1,025 = 1,15 ∙ 10–6 Ом∙м. Для 60-литровой печи,
подключенной к бытовой сети однофазного тока, из предыдущих этапов расчета известно, что мощность печи составляет P = 6000 Вт , напряжение на концах нагревателя U = 220 В, допустимая поверхностная мощность нагревателя βдоп = 1,6∙104 Вт/м2.
Тогда получаем:
4 1,15 6000
3
d
=
⋅⋅
10 220 1,6 10
⋅π ⋅ ⋅ ⋅
2
≈0,00279 м = 2,79 мм.
t
Полученный размер необходимо округлить до ближайшего большего стандартного. Стандартные размеры для проволоки из нихрома
и фехрали можно найти в ГОСТ 12766.1–90, прил. 2, табл. 8. В данном случае ближайшим большим стандартным размером является
диаметр 2,8 мм, примем этот диаметр проволоки для нагревателя.
Рассчитаем длину нагревателя
2
⋅
−
= 42,81 м ≈ 43 м.
3
l
=
4 1,15 10 (1,6 10 )
⋅π⋅ ⋅ ⋅ ⋅
6000 220
Принимаем длину проволоки нагревателя, равной 43 м.
R
lk=
ρ⋅
8, 06
62 2 4
6 42
24, 2
62 2 4
6 42
72, 2
Также иногда требуется определить массу необходимого количества проволоки. В нашем случае масса нагревателя составляет
43 ⋅ 0,052 ≈ 2,3 кг, где 0,052 – удельная масса (масса 1 м проволоки),
кг/м.
Данный расчет дает минимальный диаметр проволоки, при котором она может быть использована в качестве нагревателя при заданных условиях. С точки зрения экономии материала такой расчет
является оптимальным. При этом также может быть использована
проволока большего диаметра, но тогда ее количество возрастет.
Результаты расчета могут быть проверены следующим способом.
Был получен диаметр проволоки 2,8 мм. Тогда нужная нам длина составит
Отсюда
l =
0,179 1, 025
⋅
≈ 43 м – данное значение совпадает со
. (9)
значением, полученным в результате другого расчета.
Теперь необходимо проверить, не превысит ли поверхностная
мощность выбранного нами нагревателя допустимую поверхностную
2
мощность: β = 6000 / (3,14 ∙ 4300 ∙ 0,28) ≈ 1,59 Вт/см
.
Полученное значение не превышает βдоп = 1,6 Вт/см2.
Таким образом, для нагревателя потребуется 43 м нихромовой
проволоки Х20Н80 диаметром 2,8 мм, с общей массой 2,3 кг.
Также можно найти диаметр и длину проволоки, необходимой для
изготовления нагревателей печи, подключенной к сети трехфазного
тока.
Как описано ранее, на каждый из трех нагревателей приходится по
2 кВт мощности. Найдем диаметр, длину и массу одного нагревателя.
При подключении типа «Звезда»
4 1,15 2000
3
d
=
⋅⋅
10 220 1,6 10
⋅π ⋅ ⋅ ⋅
2
≈ 0,00134 м = 1,34 мм.
В данном случае ближайшим большим стандартным размером является диаметр 1,4 мм, примем этот диаметр проволоки для нагревателя.
34 35
Длина проволоки одного нагревателя
6 42
24, 2
62 2 4
6 42
72, 2
3
l
=
4 1,15 10 (1,6 10 )
2000 220
⋅π⋅ ⋅ ⋅ ⋅
2
⋅
−
= 29,69 м ≈ 30 м.
Масса одного нагревателя 30 ⋅ 0,013 ≈ 0,39 кг.
Произведем проверку необходимой длины нагревателя:
l =
0,714 1,025
≈33 м – данное значение практически совпадает
⋅
со значением, полученным в результате расчета нагревателя.
Поверхностная мощность составит 2000 / (3,14 ∙ 3000 ∙ 0,14) ≈
≈ 1,52 Вт/см2, что не превышает допустимого значения.
Для трех нагревателей, подключенных по схеме «Звезда», потребу-
ется 3 ∙ 30 = 90 м, что по массе составит 3 ∙ 0,39 ≈ 1,2 кг.
При подключении типа «Треугольник»
4 1,15 2000
3
d
=
⋅⋅
10 380 1,6 10
⋅π ⋅ ⋅ ⋅
2
≈ 0,00093 м = 0,93 мм.
В данном случае ближайшим большим стандартным размером является диаметр 0,95 мм, примем этот диаметр проволоки для нагревателя.
Длина проволоки одного нагревателя
3
l
=
4 1,15 10 (1,6 10 )
2000 380
⋅π⋅ ⋅ ⋅ ⋅
2
⋅
−
= 42,74 м ≈ 43 м.
Масса одного нагревателя 43 ∙ 0,006 = 0,258 кг.
Произведем проверку необходимой длины нагревателя:
l =
1,55 1,025
⋅
≈ 45 м – данное значение длины нагревателя прак-
тически совпадает со значением, полученным в результате расчета.
Поверхностная мощность составит 2000 / (3,14 ∙ 4300 ∙ 0,095) =
1,56 Вт/см2, т.е. она не превышает допустимую.
Для трех нагревателей, подключенных по схеме «Треугольник»,
потребуется 3 ∙ 43 = 129 м проволоки массой 3 ∙ 0,258 ≈ 0,8 кг.
Если сравнить два рассмотренных выше варианта подключения
нагревателей к сети трехфазного тока, то можно заметить, что для
«Звезды» требуется проволока большего диаметра, чем для «Треугольника» (1,4 мм против 0,95 мм), чтобы обеспечить заданную мощ-
ность печи 6 кВт. При этом требуемая длина нихромовой проволоки
при подключении по схеме «Звезда» меньше длины проволоки при
подключении типа «Треугольник» (90 м против 129 м), а требуемая
масса, наоборот, больше (1,2 кг против 0,8 кг).
Для эксплуатации рассчитанной нихромовой проволоки из нее необходимо сделать спираль. Диаметр спирали нагревателя делают в
4–6 раз больше диаметра проволоки для хромоалюминиевых сплавов
и в 7–10 раз больше диаметра проволоки для хромоникелевых сплавов.
Для устранения местных перегревов спираль необходимо растянуть, чтобы расстояние между витками было в 1,5–2 раза больше диаметра проволоки.
36 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные вопросы, касающиеся расчета проволочных нагревателей электрических печей (включая материалы, примеры расчета с необходимыми справочными данными, ссылками на стандарты,
иллюстрации, методики расчета), с некоторыми дополнениями применимы и к ленточным НЭ. Расчет нагревателей не ограничивается
выбором их размеров. Также необходимо определить материал, из
которого должны быть сделаны нагреватели, тип нагревателей (проволочные или ленточные), тип расположения нагревателей в рабочем
пространстве печи, их крепление, количество витков и шаг между
ними, а также другие особенности.
Рассмотренная нами методика не является оригинальной, она базируется на трудах отечественных и зарубежных исследователей,
ссылки на которые можно найти в прилагаемом библиографическом
списке. В дальнейшем авторы планируют издать учебно-методическое пособие, содержащее электронные таблицы Microsoft Excel для
автоматизированного вариативного расчета конкретных электрических печей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию. М.: Высш.
Шк., 2012. 166 с.
Общая электротехника / А.Т. Блажкин, В.А. Бесекерский,
Б.В. Фролов и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 592 с.
Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления / И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. М.:
Энергия, 1966. 104 с.
Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. М.: Госэнергоиздат, 1958. Ч. 1. Электрические печи сопротивления. 286 с.
Сокунов Б.А., Гробова Л.С. Электротермические установки (электрические печи сопротивления). Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004.
122 с.
Сплавы для нагревателей / Л.Л. Жуков, И.М. Племянникова,
М.Н. Миронова и др. М.: Металлургия, 1985. 144 с.
38
Учебное издание
Бердышев Валерий Федорович
Шатохин Константин Станиславович
ТЕПЛОТЕХНИКА
Методы расчета электрических печей
для термообработки и нагрева
Учебно-методическое пособие
Редактор Н.Э. Хотинская
Компьютерная верстка А.Л. Бабабекова
Подписано в печать 20.12.18 Уч.-изд. л. 2,5
Формат 60 × 90
Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. 8 (495) 638-44-06
Отпечатано в типографии
Издательского Дома НИТУ «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. 8 (495) 638-44-16, 8 (495) 638-44-43
1
/
16
Электронная версия
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]