2 Расчет и конструирование нагревательных элементов

2.1 Материал нагревателя

Ферронихром – разновидность нихрома, в котором значительная часть никеля замещена железом, что способствует удешевлению и повышает технологическую пластичность сплава. Выпускают ферронихром с содержанием хрома 15-18%, железа 22-27%, никеля 55-61%. Жаростойкость ферронихрома до 1200^оС, электрическое сопротивление до 1,30 Ом*мм²/м. Температура плавления ферронихрома достаточно высокая - 1390 ^оС.

Рекомендуемые и максимально допустимые температуры нагревателя

Материал нагревателя	Рекомендуемая температура, оС		Максимально допустимая температура, оС
	Непрерывный режим работы	Прерывистый режим работы	Непрерывный режим работы	Прерывистый режим работы
Ферронихром: Х15Н60	950	900	1050	1000

2.2 Рекомендации по конструированию металлических нагревателей

Проволочные зигзагообразные нагреватели рекомендуют крепить в специальных керамических плитках (при d=47 мм), либо подвешивать на металлических жароупорных или керамических крючках (штырях), если d>7 мм.

Рисунок 2 - Проволочный зигзагообразный нагреватель

Высота зигзага проволочного нагревателя Н=0,3 м. Проволока выполнена из сплава Cr-Ni. Нагреватель располагается на дверце печи и на трех его боковых стенах.

2.3 Определение допустимой удельной поверхности мощности нагревателя

Мощность, выделяемая с единицы поверхности нагревателя, определяет его температуру, а следовательно, работоспособность данного нагревателя в выбранных проектом условиях. Поэтому удельная поверхностная мощность W является важнейшей расчетной величиной при проектировании нагревательных элементов.

Обычно поверхностную мощность рассчитываемого нагревателя сравнивают с поверхностной мощностью идеального нагреватели W_ид.. Под идеальным подразумевается такой нагреватель, который образует с загрузкой две сплошные параллельные бесконечные плоскости при условии, что футеровка в теплообмене не участвует, а передача тепла происходит за счет излучения. Для такого нагревателя уравнение теплопередачи:

,(2.1)

где с_о= 5,67 Вт/м²*К^ч - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

_пр – приведенная степень черноты системы нагреватель-загрузка;

Т_н – температура нагревателя, К;

Т_з – температура загрузки, К.

, (2.2)

где _з – степень черноты материала загрузки;

_н – степень черноты материала нагревателя.

Для того, чтобы рассчитать W_ид при известной температуре загрузки печи необходимо задаться температурой нагревателя. Обычно Т_н берут на 50100 градусов выше температуры Т_з

_изд = _н = 0,8.

с_о= 5,67 Вт/м²*К^ч

Т_з =1073 К

Т_н = 1133 К

Отсюда,

Реальный нагреватель, в отличие от идеального, излучает на изделие не всей своей поверхностью, часть лучей попадает на соседние нагреватели и футеровку. Можно принять, что реальный нагреватель излучает на изделие тепло не полной своей поверхностью F_н, а только некоторой условной эффективной поверхностью. Тогда допустимая поверхностная мощность реального нагревателя W_Д будет отличаться от поверхностной мощности идеального нагревателя:

, (2.3)

где _эф – коэффициент эффективности излучения данной системы нагревателя;

_г – коэффициент шага;

_с – коэффициент, учитывающий зависимость W от приведенного коэффициента излучения с_пр;

_р – коэффициент, учитывающий влияние размеров садки.

Коэффициент _эф характеризует эффективность излучения системы нагревателей при минимально допустимых по конструкционным соображениям относительных витковых расстояний, т.е. для наиболее плотно размещенных нагревателей. Для проволочного зигзага, е/d = 2,75 коэффициент _эф – 0,68.

Коэффициент шага _г учитывает зависимость удельной поверхностной мощности от относительных витковых расстояний е/d, е/b, t/d для данной системы нагревателя. На рисунке 3 приведен график для нахождения _г для проволочного зигзагообразного нагревателя.

Рисунок 3 - Значение _г для проволочного зигзагообразного нагревателя

Для системы параллельно расположенных стержней и для изделий внутри спирального нагревателя используют график (3), как для проволочного зигзагообразного нагревателя.

Все другие геометрические соотношения мало влияют на удельную поверхностную мощность и поэтому при расчете нагревателя их не учитывают.

Коэффициент _с учитывает зависимость удельной поверхностной мощности от приведенного коэффициента излучения с_пр. Для системы, когда загрузка находится внутри замкнутой излучающей поверхности:

, (2.4)

где F_з – площадь поверхности загрузки, обращенная к нагревателю, м²;

F_ст – площадь поверхности стен камеры печи, занятая нагревателями, м²

F_з =0,5*0,5*4=1 м²

F_ст =0,308*0,3*4=0,3698 м²

где 0,5 м – высота цилиндра;

0,5 м – диаметр цилиндра;

0,308 м – длина поверхности, занимаемой нагревателем;

0,3 м – высота нагревателя.

Коэффициент _р учитывает влияние размеров загрузки на величину удельной поверхностной мощности. Значение этого коэффициента определяют как функцию отношения F_з/F_ст (рисунок 4). В случае когда

F_з/F_ст >0,8, поправку на размер загрузки не вносят (т.е. _р = 1).

Рисунок 4 - Зависимость_р от F_з/F_ст

Зависимость _с от с_пр показана на рисунке (5)

Рисунок 5 - Зависимость _с от с_пр

F_з =1 м² _эф =0,68 _г =0,88 _с=0,8

F_ст =0,3698 м²

_изд = _н = 0,8. F_з/F_ст=таким образом, _р = 1

W_ид=12243,82 Вт/м²

После завершения расчетов, мы знаем предельно допустимую удельную поверхностную мощность W_д, которую может обеспечить выбранная нами конструкция нагревательных элементов. Эта мощность излучается с реальной поверхности нагревателя F_н и связана с его геометрическими и электрическими параметрами.