Методика расчета неметаллических нагревателей

 

Наиболее широкое применение неметаллические нагреватели нашли в лабораторных и сравнительно небольших по объему рабочей камеры промышленных печах с рабочей температурой t_печ >1250 ⁰С. В газонаполненных печах с воздушной или контролируемой (КА) атмосферой в интервале температур 1200¼1400 ⁰С чаще всего используются нагреватели из карбида кремния SiC (карборунда), получившие обозначение КЭН. Реже применяются нагреватели из дисилицида молибдена MoSi ₂, которые обозначаются СМ и могут работать до температуры 1600 ⁰С.

Все неметаллические нагреватели рассчитываются по методике свободно излучающих нагревателей, но с некоторыми дополнениями и изменениями, учитывающими особенности конструкции, материала и способа изготовления неметаллических нагревателей.

Нагреватели КЭН выпускаются (по гост 16139-76) нескольких типов конструкций, но в практике электропечестроения наибольшее применение нашли: КЭН А – трубчатые цельные с утолщенными выводами (рисунок 5.1, а); КЭН вп – сплошные с приставными выводами, пропитанными сплавом металлов (рисунок 5.1, б).

Карборунд обладает высокой прочностью при сжатии при рабочей температуре >1200 ⁰С. Он имеет самое высокое значение удельного сопротивления при комнатной температуре r₂₀ =3·10^-3 мкОм·м, а при рабочей температуре 1200¼1450 ⁰С r_t =(1,0¼1,4)·10^-3 мкОм·м. Это, включая рабочий интервал температур, главные достоинства нагревателей КЭН. К их основным недостаткам относятся: низкая прочность при разрыве и изгибе, хрупкость и быстрое увеличение сопротивления нагревателя в процессе эксплуатации за счет старения при работе в окислительной среде. Нагреватели имеют большой разброс начального сопротивления в пределах R_нач = R_опт · (0,7¼1,3) Ом при R_опт = 1¼4 Ом, что надо всегда учитывать при выборе электрической схемы их включения. На вывод каждого нагревателя несгораемой краской наносится значение R_нач.

 

 

5.1 Порядок расчета карборундовых нагревателей

 

Исходные данные для расчета:

Установленная мощность печи (зоны) — N_S, кВт; напряжение — U, В; F_м и F_н — соответственно активная тепловоспринимающая поверхность садки металла и теплоизлучающая поверхность стенок рабочей камеры печи (зоны), на которых размещены нагреватели —м²; e_м и e_н — соответственно степень черноты нагреваемого металла и самих нагревателей (e_н практически всегда равна 0,8, e_м при нагреве в воздушной и другой окислительной атмосфере принимается также 0,8, а в защитной — выбирается по справочнику); t_м и t_н — соответственно конечная температура металла и нагревателей, ^оС; n — число нагревателей в печи, обычно принимают его кратным 3, тогда N₁ = N_S / n, кВт — мощность одного нагревателя.

Цель расчета: выбрать тип, размеры и количество нагревателей, схему их включения, напряжение U и понижающий трансформатор.

 

Порядок расчета

 

1. Конструктивно определяется число и схема размещения нагревателей, что позволяет найти длину рабочей части l_{раб и} l_выв в соответствии с размером стенки рабочей камеры, вдоль которой устанавливаются нагреватели, и толщиной другой стенки, через которую проходят их выводы. Обычно принимают l_выв = S_ст + (50¼100) мм. По каталогу для принятых l_{раб и} l_выв выбирается типоразмер нагревателя, т.е. диаметр рабочей части d_раб и выводов d_выв. При этом шаг между нагревателями должен отвечать соотношению:

е ³4· d_раб для КЭН А

е ³3· d_раб для КЭН БС и других моделей.

 

2. Исходя из схемы размещения определяется общее число нагревателей n и мощность одного нагревателя N₁ = N_уст / n кВт.

 

3. По заданной t_печ по графику на рисунке 5.1, в находится t_н и рассчитывается удельная поверхностная нагрузка идеального нагревателя w_ид по формуле

, Вт/см², (5.1)

где С_пр рассчитывается по формуле

 

, Вт/(м²·К⁴), (5.2)

 

где e_н — степени черноты нагревателя; F_н — поверхность стенок печи, на которых размещены нагреватели. Для e_н = e_м = 0,8 и F_н / F _н ³ 0,8 принимают C_пр = 3,9 Вт/(м²·К⁴).

Связь реально допустимой удельной поверхностной мощности w_д с идеальной w_ид выражается зависимостью

 

w_д = w_ид · a_эф · a_г · a_с · a_р = w_ид · a_S, (5.3)

 

где a_эф, a_г, a_с, a_р — поправочные коэффициенты.

Все стержневые нагреватели (КЭН и СМ) рассматриваются как ветви проволочного зигзага, поэтому принимается a_эф =0,68, а затем определяются остальные коэффициенты a_г, a_с и a_р.

Значения a_г определяют по таблице 5.1. Шаг между нагревателями е рассчитывается с учетом того, что вертикальные нагреватели располагаются вдоль двух боковых стенок печной камеры, горизонтальные – вдоль свода и пода в камерных печах или вдоль двух противоположных боковых стенок. Поэтому принятое, желательно четное, число нагревателей делится пополам, и шаг е находится по формуле:

 

е = L /(0,5 n + 1) для камерных печей или

е = Н /(0,5 n + 1) для шахтных. (5.4)

 

Для стержневых нагревателей типа КЭН А с утолщенными выводами (d_{ВЫВ =} 1,7 d) принимать e/d ³ 3,5, а для остальных типов КЭН ВП и др., у которых d_ВЫВ = d, можно приниматьлюбые значения e/d по таблице 5.1 с учетом того, что жирным шрифтом выделены значения a_г для оптимальных межвитковых расстояний, а курсивом — допустимые (с повышенным удельным расходом материала).

Таблица 5.1 Выбор коэффициента шага a_г

e/d	aг	e/d	aг	e/d	aг	e/d	aг
2,3	0,92	3,0	1,04	3,7	1,13	4,8	1,20
2,4	0,94	3,1	1,06	3,8	1,14	5,0	1,21
2,5	0,96	3,2	1,07	3,9	1,15	5,5	1,23
2,6	0,97	3,3	1,09	4,0	1,16	6,0	1,25
2,7	0,99	3,4	1,10	4,2	1,17	6,5	1,26
2,8	1,01	3,5	1,11	4,4	1,18	7,0	1,27
2,9	1,03	3,6	1,12	4,6	1,19	7,5	1,28

 

a_с — коэффициент, учитывающий зависимость w_д от С_пр, когда степень металла e_м не равна 0,8 или соотношение F_м / F_н < 0,8. Степень черноты нагревателя e_н всегда принимается 0,8…0,9. a_с рассчитывается по

a_с = С_пр /3,9. (5.5)

 

a_р — коэффициент соотношения тепловоспринимающей F_м и теплоизлучающей поверхностей F_н, учитывает влияние размеров садки и зависит от отношения F_м / F_н. при F_м / F_н >0,8 принимать a_р = 1, а при F_м / F_н <0,3 нагреватель “не видит” садку и надо рассчитывать систему “нагреватель — кладка” с a_р =1.

a_р = 0,4 + 1,2·(F_м / F_н — 0,3) при 0,3 £ F_м / F_н £ 0,8; (5.6)

 

Затем по формуле (5.3) рассчитывается w_д, которая не должна превышать 5 Вт/см² при t_н < 1450 ⁰С и t_печ < 1400 ⁰С.

 

4. Проверяется правильность выбора числа и типоразмера нагревателя:

 

N₁ = 10^-3 · w_д · f_раб, кВт, (5.7)

 

где f_раб — теплоизлучающая поверхность рабочей части нагревателя, см².

При несовпадении полученного по формуле (5.7) значения N₁ с ранее принятым (пункт 2) более чем на 10 % необходимо или изменить число нагревателей и соответственно N₁, или, если есть такая возможность, выбрать новый нагреватель с другим d_раб и повторить расчет, начиная с пункта 1.

 

Рисунок 5.1. Нагреватели из карбида кремния: а — типа КЭН А, б — типа КЭН вп, в — зависимость t_н от t_печ, вида регулирования температуры и печной атмосферы: 1 — непрерывное регулирование (нр) в воздушной среде (Вс); 2 — позиционное регулирование (ПР) в ВС; 3 — НР в контролируемой атмосфере (КА с Н₂ и СН₄); 4 — ПР в КА (с Н₂ и СН₄)

 

5. При определении электрической схемы включения нагревателей необходимо в группу, состоящую из нескольких нагревателей, включенных параллельно, или последовательно, или звездой, или треугольником, подбирать нагреватели с одинаковым начальным сопротивлением. Дальнейший расчет проводится для трех значений R: минимального начального R_мин, максимального начального R_макс и состаренного нагревателя R_ст = R_макс · (2,5¼3,0), для каждого из которых рассчитывается соответствующее значение напряжения:

 

, В, (5.8)

 

где N _{å гр} — суммарная расчетная мощность комплекта нагревателей в группе, кВт; R _{å гр} — суммарное расчетное сопротивление комплекта нагревателей в группе, Ом; k_U – коэффициент, принимаемый k_U = 3 при схеме включения на звезду и k_U = 1 в остальных случаях.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: