 |
Особенности расчета закрытых нагревателей
|
|
|
|
Наибольшее распространение получили закрытые нагреватели в лабораторных электрических печах типа СНОЛ, СУОЛ, СШОЛ. Рабочее пространство трубчатых (СУОЛ) и шахтных (СШОЛ) печей имеет цилиндрическую форму и образовано обычно керамической, шамотной или кварцевой трубкой с внутренним диаметром от 20 до 200 мм и длиной от 200 до 600 мм. В муфельных печах (СНОЛ) рабочее пространство образовано шамотным или керамическим муфелем, имеющим форму параллелепипеда со скругленными ребрами. Толщина трубок и муфелей принимается от 3 до 20 мм и определяется соображениями конструктивной прочности трубки и муфеля при рабочих температурах печей от 700 до 1200 0С.
Во всех случаях нагреватель из проволоки, ленты или проволочной спирали наматывается на наружную поверхность муфеля или трубки, затем фиксируется шамотным раствором и подвергается сушке и обжигу при температуре 1200¼1300 0С. Наносимый на нагреватель слой шамота (или пеношамота) играет также роль огнеупорного слоя футеровки печи. Толщина этого слоя определяется в расчете теплового баланса печи и должна обеспечить на границе с теплоизоляцией температуру, не превышающую максимального допустимого значения для выбранного материала теплоизоляции.
Лабораторные печи имеют следующие особенности:
1) они работают обычно 8¼10 ч в сутки, поэтому пустую печь сначала разогревают до заданной температуры, при этом выделяемое нагревателями тепло расходуется на разогрев футеровки (на аккумуляцию), а в печах-ваннах — еще и тигля с расплавом, и уходит через стенки наружу (потери теплопроводностью через футеровку и на тепловые короткие замыкания);
2) масса нагреваемых образцов обычно настолько мала, что к.п.д. печи составляет 1¼5 %, а это позволяет считать, что тепло от нагревателей идет только в одну сторону — наружу, то есть через второй слой огнеупора (обмазку) и теплоизоляцию;
|
|
|
3) в лабораторных печах обычно используются два типа нагревателей: проволочный нагреватель, намотанный на прямоугольный или цилиндрический муфель, или проволочная спираль, намотанная на такой же муфель, но иногда применяют и ленточный спиральный нагреватель (см. рисунок 4.1);
4) лабораторные печи обычно включаются в сеть через понижающий автотрансформатор с диапазоном регулирования D U =50¼250 В при входном напряжении сети 220 В.
Расчет теплового баланса этих печей обычно проводят как для стадии разогрева печи до требуемой рабочей температуры при заданном времени разогрева самой печи, так и для стадии работы в стационарном режиме при постоянной температуре печи. Поэтому основной тепловой поток (80¼100 %) обычно направлен от нагревателя через футеровку печи в окружающее пространство. Если на стадии разогрева потребляется мощность, близкая к установленной, то на стадии стационарного режима чаще всего Nстац =(0,5¼1,0)· Nуст, что достигается путем снижения U, подаваемого на нагреватель печи.
Исходные данные для расчета закрытого нагревателя.
При расчете теплового баланса печи получено:
NS — установленная мощность печи, кВт;
n — число нагревателей в печи, тогда N1 = NS/n, кВт — мощность одного нагревателя;
tм и tн — соответственно заданная температура нагрева металла и максимальная температура нагревателя, оС, последняя определяет выбор материала нагревателя и его удельное электросопротивление — rt, мкОм·м;
t 2 — температура внешней теплоотдающей поверхности закрытого нагревателя, оС, чаще всего это температура на границе внешнего (наружного) огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки лабораторных печей;
Lм — активная длина муфеля (трубки), т.е. длина его части, на которой намотан нагреватель, м;
|
|
|
S — для печей типа СНОЛ (с прямоугольной формой сечения муфеля) — толщина наружного огнеупорного слоя, мм;
Bм и Hм — внешняя ширина и высота прямоугольного муфеля печей СНОЛ, мм;
D1 и D2 — соответственно внутренний и наружный диаметры внешнего (наружного) огнеупорного слоя трубчатых и шахтных печей, мм;
l — теплопроводность материала внешнего огнеупорного слоя (обмазки) при ` t =0,5·(tн + t2), Вт/(м·К).
Рисунок 4.1. Расчетные схемы закрытых нагревателей с теплоотдачей теплопроводностью:
а¼в — для плоских стенок муфельных печей СНОЛ; г¼е — для печей шахтных СШОЛ и трубчатых СУОЛ; ж — трубчатый электронагреватель ТЭН; з — дополнительная схема к расчету вариантов г¼е; и — закрытый нагреватель металлических плит.
Типы конструкций нагревателей: а, г — проволочный;
б, д, ж, к — спиральный; в, е — ленточный.
1 — трубчатый или прямоугольный муфель; 2 — внешний огнеупорный слой (обмазка); 3 — теплоизоляционный слой; 4 — нагреватель
Выбираются: конструкция и форма сечения нагревателя — проволока (d), проволочная спираль (Dс = (3¼6)· d) или лента (a ´ b), все размеры — мм; U — напряжение, В.
Расчет проводится методом подбора сечения и конструктивных размеров нагревателя, для чего задается 4¼6 значений d или a ´ b.
Требуется определить: удельную поверхностную нагрузку нагревателя — w, Вт/см2; оптимальное сечение нагревателя (d,мм или a × b,мм2 , для ленты обычно принимают m= b/a£ 10); длину материала нагревателя l, м, при необходимости можно уточнить U.
На рисунке 4.1 приведены расчетные схемы наиболее распространенных нагревателей закрытого типа, где, кроме упомянутых выше, приведены их конструктивные расчетные параметры:
h — шаг между витками проволочного или ленточного нагревателя, или между витками спирального нагревателя, мм;
H — шаг между спиралями, мм.
В приведенных ниже расчетных формулах (таблица. 4.1) используются еще 2 поправочных коэффициента:
k — коэффициент конфигурации, учитывающий отличие теплоотдающей поверхности реального нагревателя от сплошного (листового) идеального нагревателя;
g — коэффициент, учитывающий долю тепла, идущего от нагревателя внутрь печи, если она превышает 10% от N S, что определяется расчетом теплового баланса печи.
|
|
|
Удельная поверхностная нагрузка нагревателя w рассчитывается для принятых 4¼6 значений d или a ´ b и выбранной расчетной схемы (рисунок 4.1) по двум группам формул: по электрическим параметрам (N1 и U) – wu; по конструктивным (h, H) и теплотехническим параметрам (l, Dt = tн - t 2) – wt.
По мощности одного нагревателя N1 = NS / n (чаще всего n= 1, тогда N1=NS) и принятому напряжению U находим величину wu для принятых значений d или a по формулам:
, Вт/см2, для проволоки (4.1)
, Вт/см2, для ленты. (4.2)
По найденным значениям строится зависимость wu = f (d или a) (рисунок 4.2).
Для тех же значений d или a и принятой расчетной схемы по справочным данным находится значение коэффициента конфигурации k и по формулам (1)…(7), приведенным в таблице 4.1, рассчитывается удельная поверхностная нагрузка wt.
На ранее построенный график (рисунок 4.4) wu = f(d или a) наносим вторую кривую wt = f(d или a). Точка их пересечения дает искомый размер d или а, который необходимо округлить до ближайшего значения по ГОСТу. Значит, определены значения Dс и H — для спирали (или b и m — для ленты) и h — для всех видов нагревателей.
Рисунок 4.2. Расчетные зависимости wu и wt для определения диаметра проволоки d или толщины ленты a |
Таблица 4.1 Расчетные формулы для определения удельной поверхностной нагрузки wt и развернутой длины проволоки l пр и ленты l л закрытых нагревателей по схемам (рисунок 4.1)
| wt, Вт/см2 | № | l пр и l л, м | № | |
| а | 
| (1) | 
| (8) |
| б | 
| (2) | 
| (9) |
| в | 
| (3) | 
| (10) |
| г | 
| (4) | 
| (11) |
| д | 
| (5) | 
| (12) |
| е | 
| (6) | 
| (13) |
| ж | 
| (7) | 
| (14) |
Примечание: 1) размерность L Ми L ТЭН — м, всех остальных линейных единиц — мм; 2) B м и H м — высота и ширина наружной поверхности муфеля печи типа СНОЛ, мм.
Размеры нагревателя в свернутом виде определены активной длиной муфеля или трубки L м, что позволяет, пользуясь формулами (8)…(14) в таблице 4.1, найти для оптимального сечения нагревателя развернутую длину проволоки или ленты l, м.
|
|
|
В заключение проводится проверка выполненного расчета, для чего по принятым окончательным значениям d или a×b, l и rt определяется напряжение U
, В, (4.3)
где Fс — площадь поперечного сечения проволоки p· d 2/4 или ленты 2·(a+b), мм2.
При совпадении принятого в исходных данных и полученного по формуле (4.3) значений U с погрешностью d £ 10% расчет завершается. Если расхождение d > 10%, расчет необходимо повторить, приняв новое значение напряжения U, или шага h, или конструкцию нагревателя, т.е. перейти, например, от проволочного нагревателя к спиральному или ленточному.
При изменении U достаточно по (1) или (2) пересчитать wu для всех принятых значений d или a ´ b, нанести на график (рисунок 4.2) новую кривую wu, найти по точке ее пересечения с кривой wt новое оптимальное значение d или a ´ b, рассчитать l по формулам (8)…(14) и снова проверить U по формуле (4.3).
При изменении шага h по формулам (1)…(7) производится перерасчет wt , а далее — как при замене U. Если же принимается новая конструкция нагревателя, то повторяется полностью весь расчет с новыми исходными данными.
Есть второй вариант расчета закрытых нагревателей, который применяется в том случае, когда необходимо произвести расчет для определенного, имеющегося в наличии материала — проволоки или ленты. Тогда для конкретного заданного диаметра проволоки d или сечения ленты a ´ b выбирается конструкция нагревателя, задается значение шага h, а для спирали — DС и Н, и рассчитывается по формулам (1)…(7) удельная нагрузка wt и длина проволоки или ленты l по формулам (8)…(14).Затем принимается wU = wt и по формулам (4.1) или (4.2) рассчитывается U и проверяется его значение по формуле (4.3). При расхождении > 10% подгонка производится путем изменения шага h и напряжения U.
|
|
|
