электротехнология

выходящего из нагревателя продукта. Плотность тока определяется значением удельного электрического сопротивления при напряжении U = const; площади электродов S = const и расстоянии между электродами l = const. Напряжённость электрического поля в нагреваемом материале,

зависящая от U и l, во время работы остаётся неизменной. Для плоскопараллельных электродов:

r ln(r1 / r2 )

где r – текущий радиус точки в межэлектродном промежутке, м; r1 и r2 – радиусы наружного и внутреннего электродов, м.

Связь между напряжённостью электрического поля Е и плотностью

тока j:

электрического поля и плотности тока минимальны на внешнем электроде и максимальны на внутреннем.

Таким образом: значение максимальной напряжённости

электрического поля Emax не должно превышать значения пробивной

напряжённости Eпр нагреваемого материала. Значение пробивной

напряжённости Eпр зависит от плотности материала.

3.8 Расчёт электродных нагревательных устройств

При расчёте электродных нагревательных устройств определяют потребную мощность и конструктивные параметры электродной системы.

Потребную мощность находят с учётом технологических условий, которые характеризуют производственный процесс.

Для нагревателей периодического действия такими параметрами являются: объём нагреваемого материала V (м3), удельная теплоёмкость с

(Дж/кг·0С), плотность материала (кг/ м3), удельное электрическое сопротивление (Ом·м), время нагрева (с), начальная t1 и конечная t2

температуры (0С), термический к.п.д. т.

Для нагревателей непрерывного действия задаётся производительность L(м3/с) установки.

И тогда:

Это выражение справедливо лишь для нагревателей непрерывного действия. Для нагревателей периодического действия при возрастании мощности от Р1 при температуре t1 до Р2 при t2. Значение мощности определяется удельным сопротивлением материала при соответствующих температурах.

Для цилиндрических коаксиальных электродов по выражению

(3.34) определяют площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высоту электродов) или d2 (диаметр внутреннего электрода),

рассчитывают другой параметр как S = ·d2· h. Затем находят диаметр внешнего электрода:

Конструктивные их параметры рассчитывают по среднему значению удельного электрического сопротивления ( ср) материала:

3.9. Косвенный электронагрев сопротивлением. Требования к

материалам нагревательных элементов и их конструкции

Основным узлом ЭТУ, реализующим косвенный нагрев методом

сопротивления, являются нагревательные элементы. Материал

нагревательных элементов выбирают в зависимости от значения рабочей температуры (tраб) и условий работы. Эти материалы, прежде всего,

должны быть: 1) жаростойкими; 2) жаропрочными; 3) технологичными.

Кроме перечисленных, предъявляются так же специфические требования, обусловленные особенностями работы электронагревательных элементов:

1.Жаростойкость, т.е. они не должны окисляться под действием воздуха и высоких температур.

2.Жаропрочность, т.е. при высоких температурах не должны подвергаться механической деформации.

3.Большое удельное сопротивление. Это объясняется тем, что тонкие и длинные нагреватели не прочны, не удобны конструктивно,

имеют малый срок службы.

4.Малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Это необходимо для того, чтобы сократить пусковые толчки тока.

5.Электрические свойства нагревателей должны быть постоянны.

6.Нагреватели должны иметь постоянный размер.

7.Материалы должны хорошо обрабатываться.

Основные материалы, из которых изготавливаются нагревательные элементы ЭТУ – это, сталь и следующие сплавы:

-хромникелевые (нихромы);

-хромалюминивые (фехрали);

-хромникельалюминивые (нихром с алюминием).

Наиболее применяемые и отвечающие требованиям это нихромы:

Х20Н80; Х15Н60; Х25Н20; Х23Н18 и т.д. Чем больше никеля в сплаве, тем выше его качество и рабочая температура, но одновременно с этим они и дороже.

У фехралей более низкая стоимость, но прочность при высоких температурах хуже. Более высокая прочность у фехралей -

хромникельалюминивые сплавы (Х15Н60Ю3А).

В ЭТУ с рабочими температурами tраб>12500С применяют неметаллические нагреватели из графита, тугоплавких металлов и т. д.

Температурный коэффициент сопротивления нагревателей, изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие,

сопротивление зависит от значения протекающего по ним току. Однако,

они дешевле и недефицитны, поэтому их применяют для ЭТУ низкотемпературного нагрева (300…4000С).

Нагревательные элементы по конструктивному исполнению разделяются на: 1) открытые; 2) закрытые; 3) герметические.

1) Открытые электронагреватели изготавливают из металлических сплавов в виде ленты или проволоки, свёрнутых в спираль или зигзагообразно. Их крепят на керамических жаропрочных изоляторах в рабочем пространстве ЭТУ. Теплота передаётся конвекцией и излучением.

Чем выше температура нагрева, тем большая часть энергии инфракрасного излучения передаётся нагреваемому материалу.

2) Закрытый нагреватель находится в защищённой оболочке.

Теплота передаётся в основном конвекцией. Следует также отметить, что открытые и закрытые нагреватели просты по конструкции и имеют невысокую стоимость, но меньше срок службы.

3) Герметические нагреватели или ТЭН.

3.10 Трубчатые электрические нагреватели

Трубчатые электронагреватели (ТЭН) применяют для нагрева воды,

воздуха, растворов электролитов и других сред. ТЭН можно размещать непосредственно в нагреваемой среде.

Рис. 3.5 ТЭН, где показано: D - диаметр оболочки; L - развернутая длина ТЭН; Lk - длина контактного стержня в заделке

ТЭН состоит из (рис.3.5): 1) тонкостенной металлической трубки

(оболочки); 2) нагревательной спирали, изготовленной из проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением; 3) наполнителя

(периклазкристаллический оксид магния, или кварцевый песок); 4)

контактных стержней; 5) изоляторов; 6) креплений. Контактные стержни и проходные изоляторы надёжно герметизируют термовлагостойким лаком.

В качестве материала оболочки обычно используют: 1) медь; 2)

латунь; 3) углеродистая и нержавеющая сталь.

Для рационального размещения ТЭНов в рабочей зоне электротермической установки им придают различную форму (см.

Приложение 1) и устанавливают при помощи крепёжных устройств

(штуцеров, планок и т.п.).

При нагреве газообразных сред для увеличения теплоотдачи от ТЭНов применяют их оребрение (рис. 3.6), выполняемое из материала с хорошей теплопроводностью (см. Приложение 1). Применение такого конструктивного решения способствует снижению габаритных размеров ЭТУ, и следовательно, их металлоёмкости.

Марки наиболее распространенных ТЭНов, их конструкция и типоразмеры приведены в Приложении 1.

Рис. 3.6 Оребрённый ТЭН, показано: L – развернутая длина; Lo – длина оребрения; D – диаметр оболочки; Do – диаметр оребрения; h – шаг оребрения.

Основным параметром, характеризующим ТЭН, является удельная поверхностная мощность Pуд, Вт/см2:

Предельное значение Руд ТЭНа определяется условиями работы,

допустимыми температурами поверхности спирали, наполнителя и оболочки. Для определения числа нагревателей (необходимо помнить, что n – должно быть кратным трём):

где PЭТУ – мощность установки, Вт; P1 – мощность выбранного ТЭНа, Вт.

3.11 Электрический и конструктивный расчёты нагревательных

элементов

Цель электрического расчёта нагревателей – определение их размеров (сечение и длины).

Исходные данные для расчёта: напряжение питания Uпит; мощность одного нагревателя Рн; условия работы нагревательных элементов,

температурный режим.

Расчёт нагревателей основан на совместном решении, связывающих электрические и тепловые параметры нагревателей:

атакже уравнение теплообмена при теплопередаче:

-теплопроводностью

где 1 – коэффициент эффективности излучения нагревателей; Руит; Рудк; Руди – удельные поверхностные мощности нагревателей при теплообмене теплопроводностью, конвекцией, излучением, Вт/см2.

Удельная поверхностная мощность определяется:

Pудт (t2 t1 )/ l

Pуди и и

Зная конкретные условия работы нагревателей можно определить

Рудт; Рудк; Руди. Однако расчёты по формулам (3.48) носят приближенный

характер.

Обозначим в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя Руд, а основные размеры определяем из следующих уравнений:

Тогда:

Для нагревателей круглого сечения поперечный периметр нагревателя и площадь поперечного сечения нагревателя можно определить по формулам:

Подставив (3.52) в (3.51), можно определить диаметр нагревателя круглого сечения:

По расчётному значению диаметра d подбирают ближайший,

больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина же

выбранного провода определяется по формуле:

где m = b/а; а – толщина ленты; b – ширина ленты.

Расчётная толщина нагревателя прямоугольного сечения: