3. Определение установленной мощности тепловых зон

Установленная мощность определяется для каждой тепловой зоны печи. По установленной мощности осуществляется расчет нагревателей и выбор силового электрооборудования

Установленная мощность зоны нагрева, Вт, определяется как

P_уст=k(P_пол+ P_м+ P_г+ P_п.т.), (27)

где k – коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение напряжения питающей сети, старение нагревателей и футеровки и обеспечивающий динамический запас мощности для работы системы регулирования температуры (отработки возмущений).

Установленная мощность зоны выдержки, Вт, определяется как

P_уст=k(P_г+P_п.т.). (28)

Для зон нагрева коэффициент запаса k принимается равным 1,1…1,2, для зон выдержки он существенно выше – 1,4…1,6, за счет чего значительно уменьшается время разогрева печи при пуске, а также достигается быстрая отработка возмущений теплового характера.

Установленную мощность каждой из зон принято округлять до значения из ряда предпочтительных чисел, кратного 5 кВт.

3. Расчет нагревателей

Нагревательные элементы являются одной из важнейших частей всякой электропечи сопротивления. От их надежности в значительной степени зависит надежность печи в целом. Работа нагревателей обычно происходит в тяжелых температурных условиях, часто при предельно допустимых для материала, из которого они выполнены, температурах. Поэтому, если срок службы остальных деталей и механизмов печи исчисляется многими годами, то нагревательные элементы выходят из строя и требуют замены уже через 1 – 2 года.

Одним из основных факторов, обуславливающих срок службы нагревателя, является максимальная температура, при которой ему приходится работать. Температура нагревателей будет выше заданной температуры нагрева на величину температурного перепада нагреватель – изделие, зависящего от условий теплопередачи между ними. Следует избегать большого значения этой величины, так как при высоких рабочих температурах повышение температуры нагревателей на 30...50 С может существенно снизить срок их службы.

Поэтому правильный выбор материала и конструкции нагревательных элементов имеет большое значение при их эксплуатации с точки зрения расхода материала нагревателей.

Целью расчета нагревателей является выбор материала и определение геометрических размеров нагревателей при известных размерах рабочего пространства печи и рабочей температуре. При этом необходимо обеспечить достаточный срок службы нагревательных элементов при выделении на них требуемой мощности. Расчет проводится для каждой из тепловых зон в отдельности.

Проектирование нагревателей является оптимизационной задачей. К числу важнейших показателей качества относятся: стоимость, срок службы нагревателя, массовый расход материала, удобство монтажа, технологичность (прежде всего гибкость ленты или проволоки, позволяющая изготавливать нагреватель в виде зигзага или спирали требуемого шага), необходимость трансформатора при питании напряжением, отличным от сетевого (220/380 В).

Расчет нагревателей должен производиться в следующем порядке.

1. В соответствии с конструкцией и типом установки, требованиями технологического процесса выбирают расположение нагревателей в пространстве печи (см. п. 2, с. 4).

2. Выбирают материал для изготовления нагревательных элементов в соответствии с режимом работы печи (непрерывный, прерывистый) и значениями рекомендуемой и максимально допустимой температуры, особенностями рабочей среды (окислительная, восстановительная или защитная). Для среднетемпературных печей, рассматриваемых в курсовом проекте, нагревательные элементы выполняются, как правило, из сплавов сопротивления.

Температура нагревателя принимается на 30…50 С выше температуры печи (зоны). Сплав подбирается таким образом, чтобы его рекомендуемая рабочая температура (табл. 3.10 [1]) была не ниже принятой температуры нагревателя. Вместе с тем, не рекомендуется использовать материалы, для которых допустима температура существенно выше принятой.

Следует помнить, что безникелевые (железохромоалюминиевые) сплавы могут длительно работать в контакте с футеровочными материалами только с высоким содержанием Al₂O₃ (плавленый муллит или корунд). Как альтернатива таким дорогостоящим материалам, может использоваться обмазка с высоким содержанием Al₂O₃.

3. По температуре тепловоспринимающей поверхности (загрузки в конце печи) и принятой температуре нагревателя определяют значение удельной поверхностной мощности идеального нагревателя W_ид, Вт/м² (рис. 5.27 [1]). Связь реальной удельной поверхностной мощности с мощностью идеального нагревателя выражается как

, (29)

где _эф, _г, _р, _с – поправочные коэффициенты.

Значения коэффициента эффективности излучения _эф для различных конфигураций нагревателя (зигзаг, спираль) при минимально допустимых по конструктивным соображениям относительных витковых расстояниях приведены в табл. 5.5 [1]. Наибольший коэффициент эффективности излучения (_эф=0,68) имеет проволочный зигзаг.

Коэффициент шага _г зависит от относительных витковых расстояний (рис. 5.28 [1]). Под ними понимается отношение расстояния между осями ветвей к диаметру проволоки e/d для проволочного зигзага или к ширине ленты e/b для ленточного зигзага и шага витков к диаметру проволоки t/d для проволочной спирали. При минимальных относительных витковых расстояниях _г=1. Оптимальными с точки зрения эксплуатационного расхода материала являются отношения e/d=2,5...4,5; e/b=1,4...2,6; t/d=3,2...4,8. Никельсодержащие сплавы допускают меньшие витковые расстояния (меньше радиус изгиба, плотнее навивка спирали).

Коэффициент _с учитывает приведенный коэффициент излучения нагреваемого изделия C_пр (рис. 5.29 [1]). Коэффициент _р учитывает влияние размеров нагреваемых изделий (рис. 5.30 [1]).

Эти коэффициенты выбираются по-разному для разных зон. Так, для зон выдержки и последней зоны нагрева в случае непрерывного регулирования температуры принимается _с=_р=1. Для остальных зон учитываются все коэффициенты согласно ф. (29).

4. Задаются схемой включения нагревателей (треугольник или звезда), числом фаз, параллельных ветвей нагревательного элемента. Это оказывает влияние на величину мощности и напряжения нагревателя. Так, при расчете нагревателя на линейное напряжение массовый расход сплава на 44 % ниже, чем в случае фазного, но сечение получается меньше, поэтому сокращается срок службы, особенно для проволоки из никельсодержащих сплавов, у которой срок службы практически пропорционален диаметру.

5. Следующий этап заключается в определении геометрических размеров нагревателей и их массы. Для проволочного нагревателя определяют диаметр проволоки, в м:

, (30)

где Р – мощность одной фазы, Вт, равная 1/3 установленной мощности зоны; U – напряжение нагревателя, В; ρ – удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при рабочей температуре, Ом·м.

Для ленточного нагревателя задаются отношением сторон ленты b/a=m (обычно m=10) и рассчитывают меньшую сторону сечения a, в м:

. (31)

При этом следует помнить, что окончательный выбор размеров проволоки или ленты проводится из ряда рекомендуемых диаметров проволоки (от 2 до 20 мм) или толщины ленты (от 1,5 до 3,0 мм) (табл. 5.6 [1]). Не рекомендуется использовать проволоку диаметром менее 2,5 мм и более 11 мм, а для безникелевых сплавов – более 8 мм. Если диаметр нагревателя слишком мал, то следует либо понизить напряжение, либо принять меньшую температуру нагревателя и, как следствие, меньшую удельную поверхностную мощность W. При слишком большом диаметре можно рекомендовать повышение напряжения путем перехода к подключению на линейное напряжение.

Длина L, м, и масса G, кг, нагревателя одной фазы, определяются как:

, , (32)

где F – площадь поперечного сечения нагревателя, м². для проволоки, для ленты.

6. Далее производится размещение нагревателей в рабочем пространстве печи. При этом следует помнить, что для безникелевых сплавов высота зигзага не должна превышать 200…250 мм, особенно при горизонтальном размещении (на своде). Необходимо учитывать крип (удлинение нагревателей при разогреве), который, например, у сплавов Х23Ю5Т, Х27Ю5Т может достигать 40 %. Поэтому расстояние между рядами нагревателя должно быть не менее половины высоты зигзага или диаметра спирали, необходим запас на расширение по краям.

Если рассчитанные нагреватели не удается разместить в печи, необходимо либо заменить материал нагревателя (взять более жаростойкий, допускающий большую температуру и, следовательно, большую удельную поверхностную мощность), либо снизить питающее напряжение. Оно может изменяться в диапазоне от 380 В до нескольких вольт за счет изменения схемы включения нагревателей или питания их через понижающий трансформатор. При непрерывном регулировании температуры (используется тиристорный регулятор напряжения) можно обойтись без понижающего трансформатора: для снижения действующего значения напряжения ограничивается минимальный угол открывания тиристоров. При этом должно осуществляться фазоимпульсное регулирование (не широтно-импульсное). Такой способ применим, если напряжение нужно понизить не очень значительно.

С точки зрения экономии материала нагревателя выгодно применять более высокое напряжение, дробить мощность печи (увеличивать число параллельных ветвей нагревателей), переходить на более жаростойкий материал с большим сроком службы, заменять проволочные нагреватели ленточными.

Для облегчения размещения нагревателей в печи следует применять пониженное питающее напряжение, увеличивать мощность отдельных ветвей, применять материал с большим удельным сопротивлением. В большинстве случаев проволочные нагреватели размещаются легче, чем ленточные.

После размещения нагревательного элемента в рабочем пространстве печи необходимо проверить его температуру в работе согласно методике [2]. Проверка проводится для нагревателей, работающих в наиболее тяжелых условиях (например, экранированных каким-либо элементом конструкции), и для всех нагревателей многозонной печи, если они работают в различных условиях.

Заключительным этапом расчета нагревателей является оценка срока службы нагревателей. Желателен срок службы нагревателей в пределах 10 000…15 000 часов (1…1,5 года непрерывной работы). Для никельсодержащих сплавов срок службы оценивается как

(для проволоки)

(33)

(для ленты),

где определяется по марке сплава и температуре (рис. 5.33 [1]). Для безникелевых сплавов оценка по ф. (33) является весьма приблизительной, при этом принимается равным 600 часам при рекомендуемой температуре.