Глава 2 Методы преобразования электрической энергии в тепловую

2.1. Устройство и принцип действия электронагревателей сопротивления

Электрические сопротивления широко используются в электронагревателях печей для многих отраслей промышленности и бытовых приборов. Они используются в высокотемпературных электропечах, печах обжига и сушки. В литейных цехах кроме этого электронагреватели сопротивления используют для нагрева пресс-форм для литья под давлением, а в некоторых случаях кокилей, моделей и стержневых ящиков. В качестве материалов для изготовления нагревателей используют жаростойкие сплавы или керамику с высоким удельным электрическим сопротивлением.

В настоящее время отечественные и зарубежные фирмы предлагают широкий выбор нагревательных печей сопротивления различного назначения, мощности, размеров рабочего пространства и других параметров. Как правило, печи отличаются высокой степенью автоматизации, удобством обслуживания и современным дизайном. Но цена при этом соответствует качеству. Поэтому при выходе из строя сравнительно дешёвого нагревательного элемента сопротивления замена его на самостоятельно изготовленный элемент представляется экономически оправданной в ряде случаев.

Кроме того, наряду с серийно выпускаемыми нагревателями, основанными на использовании электрических сопротивлений, в инженерной практике часто приходится создавать нетиповые устройства этого вида.

На первый взгляд расчёт и изготовление электрического нагревательного сопротивления не представляет сложностей. Действительно, если заданы мощность нагревателя N_наг. и напряжение питающей сети U, то сила тока, протекающего через нагреватель, должна быть равна:

, А (2.1)

Для этого сопротивление нагревателя определится по формуле:

, Ом (2.2)

Удельное электрическое сопротивление выбранного материала ρ определяют по справочникам, тогда:

, где: (2.3.)

ρ - Ом*м;

l - длина проводника, м;

s- сечение проводника, м² .

Но расчётное сопротивление R можно получить, используя тонкую проволоку сечением s₁ небольшой длинной l₁ или проволоку большего сечения s₂ и большей длины l₂. Таким образом, задача не имеет однозначного решения.

Для профессионального решения, рассматриваемой технической задачи, следует изучить конструкции и методику расчёта электрических нагревателей.

2.1.1. Устройство электронагреватели из жаростойких сплавов

Сплавы, используемые для электросопротивлений отличаются высокой жаростойкостью и высоким удельным электрическим сопротивлением. С повышением температуры его величина растёт.

Наибольшее распространение имеют сплавы с высоким содержанием никеля – нирезисты. Они выпускаются в виде проволоки диаметром от 0,1 до 7мм и более и ленты сечением от 0,1х20мм до3,0х40мм и более.

В таблице 2.1 приведён химический состав нирезистов (содержание вредных примесей не указано).

Таблица 2.1

Химический состав нирезистов

Марки сплавов	Содержание основных элементов, %
	Ni	Cr	Al	Fe	Другие эл-ты
Х20Н80	79-81	20,0-23,0	< 0,20	< 1,0	-
Х20Н80-Н	79-81	20,0-23,0	< 0,20	< 1,0	Zr 0,2-0,5
ХН70Ю	68-71	Остальное	3,0-3,8	<1,5	-
ХН70Ю-Н	68-71	Остальное	3,0-3,8	<1,5	Ba < 0,1;Ce < 0,03
Х15Н60	55,0-61,0	15,0-18,0	< 0,20	Остальное	-
Х15Н60-Н	55,0-61,0	15,0-18,0	< 0,20	Остальное	Zr 0,2-0,5

Максимальная допустимая температура работы нирезистов

увеличивается при увеличении содержания в них никеля (таблица 2.2.). Но при этом одновременно резко возрастает цена сплава. Присадки циркония, церия и бария также увеличивают допустимые температуры работы нагревателя.

Таблица 2.2.

Максимальные допустимые температуры работы нихромовых нагревателей

Марка сплава	Рекомендуемая максимальная рабочая температура нагревательного элемента работающего на воздухе, oС в зависимости от диаметра или толщины продукции, мм
	0,2	0,4	1,0	3,0	6,0 и более
Х20Н80 (Х20Н80-Н)	950	1000	1100	1150	1200
ХН70Ю-Н	950	1000	1100	1175	1200
ХН20ЮС	900	950	1000	1050	1100
Х15Н60 (Х10Н60-Н)	900	950	1000	1075	1125

Фехраль – это железохромоалюминиевый сплав, не содержащий никеля. Поэтому стоимость фехраля значительно ниже нирезиста. Максимальная допустимая температура работы фехраля марки сплав Х23Ю5 равна 1200 °C, а марки Х27Ю5Т 1300 °С. Существенным недостатком фехралей является необходимость их навивки при температуре не менее 300°C. Количество жаростойких сплавов для нагревателей сопротивления постоянно увеличивается. Сведения о них следует искать в Интернете.

           Металлические нагреватели, как правило, изготавливают в виде спирали из проволоки или зигзага из проволоки и ленты. Способы их размещения в рабочем пространстве показаны на (рис.2.1и 2.2.).

Рис. 2.1. Способы расположения спиральных нагревателей на поверхностях рабочего пространства печи. 1 – спирали на керамических трубках на поду печи; 2 – подовые на фасонных керамических изделиях; 3 – настенные на полочках; 4 – настенные на трубах и на керамических консолях; 5 – сводовые на трубах; 6 – спираль на керамической трубе.

4

Р

5

ис. 2.2. Способы расположения зигзагообразных металлических нагревателей в печах. 1 – настенные на штырях; 2 – потолочные плоские на крюках; 3 - на поде; 4 и 5 – зигзагообразные элементы проволочный и ленточный соответственно.

Методика расчёта электронагревателей сопротивления из жаростойких сплавов.

К расчету нагревателей обычно приступают после того, как выполнен расчет электротермического устройства, в результате которого определяется необходимая мощность нагревателей и их максимальная температура, требуемая для проведения соответствующего технологического процесса, а также размеры рабочего пространства. Целью расчета нагревателей является выбор марки сплава нагревателя и определение сечения и длины проволоки (ленты) для изготовления нагревателей. Нагреватели сопротивления металлические мощностью до 6 кВт можно подключать к однофазной сети. При мощности 10 и более кВт используют трёхфазный ток во избежание «перекоса фаз» питающей сети. При использовании трёхфазного тока электронагреватель необходимо разделить на три секции и вест расчёт для одной. Для расчёта необходимо знать напряжение питающей сети. Наличие многоступенчатого понижающего трансформатора существенно упрощает эксплуатацию печи и позволяет компенсировать погрешности расчёта.

Оптимальное решение можно получить на основе анализа результатов нескольких вариантов расчёта. Поэтому, несмотря на небольшой объём вычислений, следует составить программу расчёта, например, в таблицах Excel. Последовательность расчёта приведена ниже.

Исходные данные – мощность нагревателя N, количество фаз сети, максимальное значение тока в сети, напряжение сети или ступеней трансформатора U; размеры рабочего пространства печи; максимальная температура нагрева материала (тепловоспринимающей поверхности)- t_пов...

1. Вычисляют максимальной температуры нагревающего элемента – t_{макс. нагр.}. Обычно она на 50…100^оС превышает t_п. Чем больше эта разница температур, тем больше скорость нагрева.

t_{макс. нагр.}= t_пов. +(50…100).

2. По таблице 2.2. выбирают марку нирезиста. Для предварительного расчёта следует ориентироваться на повышенное значение сечение проволоки или ленты, так как стоимость 1кг материала увеличивается при уменьшении его сечения. Марку фехраля можно выбрать по приведённым данным или в Интернете.

3. По таблице 2.3. определяют эффективную удельную поверхностную мощность Р_эф.. Эта величина может быть тем большей, чем ниже температура окружающей среды.

Эффективная удельная поверхностная мощность нагревателей Таблица 2.3.

Температура тепловоспринимающей поверхности (tпов), °С	Вт/cм2 при температуре нагревателя (tмакс. нагр.), °С
	800	900	1000	1100	1200	1300
500	4,5	7,15	10,55	14,85	20,2	26,8
600	3,5	6,1	9,5	13,8	19,3	25,7
700	2	4,6	8,05	12,4	17,7	24,3
800	-	2,65	6,05	10,4	15,7	22,3
900	-	-	3,4	7,75	13	19,6
1000	-	-	-	4,3	9,7	16,25
1100	-	-	-	-	2,85	9,4
1200	-	-	-	-	-	6,55

4. В зависимости от способа расположения нагревательного элемента в печи (рис. 2.1. и 2.2.) по таблице 2.4. находят значение коэффициента эффективности излучения – α.

Значения коэффициента эффективности излучения Таблица 2.4.

Размещение нагревателя	Коэффициент α
Настенные на полочках (рис.2.1., 3)	0,16-0,24
Проволочные спирали на трубках (рис.2.1. 1,5,6,)	0,3-0,36
Проволочные зигзагообразные (рис.2.2)	0,6-0,72
Ленточные зигзагообразные (рис.2.2)	0,56-0,7

5. Вычисляют допустимую величину удельной поверхностной мощности по формуле:

, где: (2.4)

6. По таблице 2.5 находят удельное сопротивление сплава при 20^оС

Удельное сопротивление сплавов при 20^оС Таблица 2.5

Марки сплавов	Удельное сопротивление ρ20 при 20оС мкОм*м
Х20Н80-Н	1,04-1,15
ХН70Ю	1,15-1,35
Х15Н60	1,05-1,17
Х15Н60-Н	1,04-1,17
Х23Ю5Т	1,34-1,45

7. Вычисляют ρ_t - удельное сопротивление сплава при температуре нагрева, по формуле:

,мкОм^*м; (2.5)

κ - поправочный коэффициент, который для жаростойких и жаропрочных сплавов в интервале температур от 20 до 1400°C меняется от 1,01 до 1,1.

8. Диаметр нагревателя круглого сечения в миллиметрах определяют по формуле:

, мм, где: (2.6)

N - мощность нагревателей, Вт;

U - напряжение нагревателей, В;

Полученное значение округляют до ближайшего диаметра проволоки, имеющейся в каталоге производителем.

Если округлённому значению диаметра проволоки по таблице 2.2 соответствует величина максимальной рабочей температуры (t_{макс. нагр})_. меньшая, чем принятая в расчёте, то диаметр проволоки необходимо увеличить. Диаметр должен соответствовать рабочей температуре по таблице 2.2 и быть ближайшим большим по каталогу изготовителя.

9. Длину проволоки в метрах определяют по формуле:

, м где: (2.7)

d_окр.- значение диаметра проволоки, выбранное согласно п.6.

При расчёте ленточного нагревателя после пункта 7 вычисляют толщину ленты нагревательного элемента прямоугольного сечения определяют по формуле:

, мм где: (2.8)

;

b - ширина ленты нагревательного элемента, мм.

Полученное значение a и b округляют до ближайших значений и корректируют аналогично п.8 для проволочного элемента.

Длина ленточного нагревателя определяется по формуле:

, м (2.9)

10. Диаметр витков проволочного или ленточного нагревателей определяют по таблице 2.5.

11. Зная длину и диаметр витка определяют количество витков n

(2.10.)

Рекомендуемые отношения диаметра витка D к диаметру проволоки d.

Таблица 2.5.

Температура нагревателя, оС	Величина отношения D/d для сплавов
	железохром-алюминиевых	никель-хромовых
Нагреватели на керамических трубках
Ниже 1000	6-12	6-14
1000-1300	6-10	6-12 (до 1200)
Выше 1300	5-7	-
Настенные на полочках
Ниже 1000	6-10	6-10
1000-1200	5-6	5-9

12. Шаг витка определяют по рис. 2.3.

Рис. 2.3. Зависимость коэффициента шага витка k _l от диаметра проволоки или высота ленты. 1 – проволочный зигзагообразный нагреватель; 2 - проволочный спиральный нагреватель; 3 – ленточный зигзагообразный нагреватель; 4 – относительные межвитковые расстояния, оптимальные по эксплуатационному расходу материала.

Для определения шага витка нагревателя сначала определяют по рис. 2.3. коэффициент шага k_l для вычисленного диаметра проволоки или ширины ленты. Шаг витка l определяют по формуле: для проволоки и для ленточного нагревателя.

13. Располагают нагреватели в рабочем пространстве печи.

Можно добавить ТЭНы