 |
Электротермические нагревательные устройства
|
|
|
|
Электрокалорифер – это электронагревательный аппарат, состоящий из нагревательного элемента и вентилятора. Он предназначен для нагрева воздуха и различных газов в технологических процессах. Такие аппараты с вынужденной конвекцией, обеспечивая интенсивный теплообмен, обладают в несколько раз меньшей поверхностью нагрева по сравнению с поверхностями электронагревательных устройств со свободно-конвективным способом теплообмена. При невысоких температурах нагревательных элементов (500 К) в калориферах применяется подвешенная на изоляторах открытая проволочная спираль. Калориферы этого типа обладают небольшим гидравлическим сопротивлением. В калориферах могут применяться простые оребрённые трубчатые электронагреватели, обладающие развитой поверхностью нагрева.
Отопительный калорифер с трубчатыми оребребрёнными нагревателями предназначен для нагрева воздуха до 400 К в системах воздушного отопления, вентиляции, искусственного климата и в сушильных установках. Он состоит из кожуха и трубчатых нагревательных элементов. Заданная температура выходящего воздуха поддерживается автоматически электроконтактными термометрами, датчики которых установлены на выходе воздуха из калорифера.
Для нагрева воздуха до высоких температур (1200 К) применяется калорифер с нагревательными элементами в виде металлических труб (воздух нагревается, протекая внутри их). Межтрубное пространство заполняется фасонными керамическими блоками. Отдельные трубы соединены между собой на концевых участках.
Радиационные электронагреватели. В различных отраслях промышленности широко используется радиационные нагреватели, передающие энергию в окружающее пространство излучением. Проникновение излучения в глубь нагреваемого тела зависит от длины его волны и прозрачности тела. Для осуществления нагрева в различных диапазонах длин волн существуют соответствующие радиационные излучатели.
|
|
|
Светлый (ламповый) излучатель представляет собой лампу накаливания с вольфрамовой нитью и стеклянной колбой. Нижняя прилегающая к цоколю часть колбы изнутри алюминирована для создания направленного излучения. Температура вольфрамовой нити около 2200 К, максимум излучения приходится на длину волны 1,3 мкм. Основная часть энергии излучается в диапазоне длин волн 0,8-3,5 мкм.
Светлый кварцевый излучатель представляет собой трубку из кварцевого стекла, внутри которой размещаются вольфрамовые, нихромовые или хромоалюминиевые спирали. По сравнению с ламповым излучателем он имеет больший срок службы, меньшие габариты при одной и тон же мощности и позволяет получить большую плотность лучистого потока (до 60 
).
Темный излучатель представляет собой трубчатый электронагреватель, расположенный в фокусе полированного отражателя. Рабочая температура поверхности излучателя 700-1000 К, максимум излучения приходится на длины волн 2-5 мкм.
Электрические сушила. Установки для сушки изделий могут быть радиационного или смешанного действия, когда передача теплоты излучением сочетается с конвекцией (установки конвективно-радиационного типа). При конструировании сушил следует обеспечить интенсивность воздухообмена, особенно в тех случаях, когда в результате сушки испаряются взрывоопасные вещества.
В конвективных сушилах применяются различные типы калориферов, которые могут быть расположены и вне пределов камеры нагрева (выносные калориферы).
При большой производительности сушила могут быть непрерывно действующими (методическими). Высушиваемые изделия или материалы в этом случае помещены вдоль стенок камеры, на которых расположены нагревательные элементы, и перемещаются с помощью транспортирующих устройств (транспортеров, конвейеров и др.).
|
|
|
В качестве установок для сушки различного рода поверхностей могут применяться специальные излучательные панели (рис.1.4). Нагреватели панелей выполняют в виде нихромовой спирали, намотанной на керамические трубки.
Рис.1.4. Переносная излучательная панель: 1 – отражающий экран; 2 – электронагреватель; 3 – корпус; 4 – ограждение
Источником теплоты в панелях могут служить трубчатые электронагреватели 2, а в отдельных случаях открытые нагреватели и лампы различных типов. Характерной деталью панелей является отражающий экран 1, располагаемый за источником излучения. Благодаря экрану большая часть теплового потока направляется в сторону нагреваемой поверхности. Для уменьшения тепловых потерь на задней стенке панели устанавливается теплоизоляция.
Схема включения панели-излучателя позволяет осуществлять два режима: непрерывный и регулируемый, при котором по достижении, воздухом заданной температуры нагреватели автоматически отключаются, а при понижении температуры включаются вновь.
Электрические печи сопротивления (ЭПС) применяются для технологических операций в машиностроении, металлургии, легкой и химической промышленности, строительстве и др. Разнообразие материалов, обрабатываемых в ЭПС, и видов технологических процессов привело к большому разнообразию конструкций ЭПС.
При технологических процессах, проводимых в ЭПС, используется только нагрев посредством электрического тока. В ряде случаев используется возможность нагрева в вакууме или защитных газах.
ЭПС выпускают в двух исполнениях - косвенного и прямого действия. В ЭПС косвенного действия электрическая энергия превращается в тепловую энергию в специальных нагревательных устройствах, а затем передается в рабочее пространство посредством теплопередачи (теплопроводностью, конвекцией и излучением). В ЭПС прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь. Нагревательные элементы в печах косвенного действия и нагреваемые тела, включаемые в цепь ЭПС прямого действия, могут быть проводниками первого и второго родов.
|
|
|
По уровню достигаемых температур ЭПС делятся на: низкотемпературные (900-1000 К); среднетемпературные (1000-1600 К); высокотемпературные (выше 1600 К).
По группам технологических процессов, выполняемых в печах, ЭПС делят на нагревательные и плавильные, по режиму работы – на периодические и непрерывного действия. В свою очередь, печи периодического действия, обслуживающие различные технологические процессы, выполняются камерными, камерными с выдвижным подом, шахтными, колпаковыми, элеваторными.
Среди ЭПС непрерывного действия различают конвейерные, толкательные рольганговые, карусельные, с шагающим подом, пульсирующим подом, барабанные, протяжные.
ЭПС отличаются друг от друга способом и механизмом, помещающим нагреваемые тела в рабочее пространство печи. Размеры и мощности печей определяются необходимой производительностью, уровнем нагрева и теплофизическими свойствами нагреваемого материала.
В печах с контролируемой атмосферой применяются инертные газы, а также специальные газовые смеси, назначение которых – термохимическая обработка поверхности изделии – азотирование, цементация и нитроцементация, проводимые с целью повышения поверхностной прочности износостойкости деталей. Выпускают также печи с водородной средой для различных технологических процессов, в том числе для восстановления металлов из оксидов и спекания изделий из порошков тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий, тантал и др.).
В ЭПС помимо регулирования режима автоматизируются вспомогательные операции, как загрузка и выгрузка изделий, транспортировка внутри печи, автоматизируются насосы, создающие вакуум и регулирующие состав газовой среды в нагреваемом объеме.
В печах периодического действия нагреваемые тела помещаются в рабочую камеру и постепенно нагреваются до заданной температуры, оставаясь неподвижными. В методических печах нагреваемые детали загружаются с одного конца печи, перемещаясь по ее длине, прогреваются до заданной температуры и выдаются с другого конца печи. В таких печах температура в различных точках неодинакова; температура повышается от загрузочного окна печи к выгрузочному окну. Печи непрерывного действия сложней печей периодического действия, так как в них необходимо обеспечить перемещение деталей вдоль камеры печи; они являются и более производительными при тех же габаритных размерах, обеспечивая интенсивность режима термообработки.
|
|
|
ЭПС периодического действия. Колпаковая печь – печь периодического действия с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом (рис.1.5,б). Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъемно-транспортных устройств помещаются на стенд 1. Поверх них сначала устанавливается жаропрочный колпак – муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, выполненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элементы 4 расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Питание нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких кабелей и штепсельных разъемов.
Рис.1.5. Печи сопротивления периодического действия: а – элеваторная;
б – колпаковая; в – камерная; г – шахтная; 1 – стенд; 2 – камера печи;
3 – жаропрочный муфель; 4 – нагревательные элементы; 5 – нагреваемое изделие (садка); 6 – опускающийся под; 7 – подъемное устройство; 8 – свод;
9 – механизм подъема свода
По окончании нагрева электропитание колпака отключается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жароупорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания. В колпаковых печах при каждом цикле теряется лишь теплота, запасенная в муфеле и кладке стенда, что составляет 10-15 % от теплоты, запасенной в кладке колпака.
Мощность колпаковых печей достигает несколько сотен киловатт. Благодаря тому, что колпак и муфель могут быть герметизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной атмосфере.
Элеваторная электрическая печь – печь периодического действия (рис.1,5 а) с открытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6. Она представляет собой цилиндрическую или прямоугольную камеру, установленную на колоннах на высоте 3-4 м над уровнем пола цеха. Под печи 6 поднимается и опускается гидравлическим или электромеханическим подъемником 7, который установлен под камерой нагрева 2. Нагреваемые изделия – садку 5 загружают на тележку, затем с помощью лебедки продвигают под печь и поднимают подъемником 7, вдвигая в камеру. По окончании технологического процесса под печи опускается и изделие снимается с него.
|
|
|
В низкотемпературных печах нагреватели 4 расположены на стенках. В высокотемпературных печах нагреватели расположены на стенках и в поду.
Элеваторные печи служат для отжига, цементации, обжига керамических изделий, эмалирования, спекания и металлизации деталей. Эти печи рассчитаны на емкости в десятки тонн, на мощности до 600 кВт и температуру до 1500 К.
Камерная электропечь – печь периодического действия с камерой нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в горизонтальном направлении. Камерная печь (рис.1.5, в), состоит из прямоугольной камеры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и помещенной в металлический кожух. Печь загружается и выгружается через закрываемое дверцей отверстие в её передней части. В полу камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на которой расположены нагреватели 4. В низкотемпературных печах до 1000 К теплообмен обеспечивается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой замкнутой циркуляцией печной атмосферы.
Печи с температурой нагрева до 1800 К работают как с воздушной, так и контролируемой атмосферой. В крупных печах загрузка и выгрузка изделий механизированы.
Шахтная печь. Эти печи (рис.1.5, г) выполняют в виде круглой, квадратной или прямоугольной шахты, перекрываемой сверху крышкой (сводом 8) с помощью механизма его подъема. Нагревательные элементы 4 в ней установлены обычно по боковым стенкам камеры.
Электропечи сопротивления непрерывного действия (методические печи). При установившемся технологическом процессе термообработки для увеличения производительности следует применять непрерывно действующие печи. В зависимости от требований технологического процесса в таких печах, кроме нагрева изделий до заданных температур можно производить выдержку при этой температуре, а также их охлаждение. В таком случае печи непрерывного действия объединяют в один полностью автоматизированный агрегат, состоящий из нескольких печей. В частности, такая линия может включать в себя закалочную и отпускную печи, закалочный бак, моечную машину и сушку.
Конструкции печей непрерывного действия различаются в основном механизмами перемещения нагреваемых изделий в рабочем пространстве печи.
Конвейерная печь – печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере (рис.1.6). Под печи представляет собой конвейер 5 - полотно, натянутое между двумя вала которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия 2 укладываются на конвейер 5 и передвигаются на нем через рабочее пространство печи. Конвейерная лента может быть выполнена плетенной из нихромовой сети, штампованных пластин и соединяющих их прутков, а также для тяжелых нагреваемых изделий - из штампованных или литых цепных звеньев.
Рис.1.6. Схема конвейерной электропечи: 1 – теплоизолированный корпус; 2 – нагреваемое изделие; 3 – разгрузочное окно; 4 – нагревательные элементы; 5 – конвейер; 6 – загрузочное окно
Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Однако валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требуют водяного охлаждения. Поэтому часто концы конвейера 5 выносят за пределы печи. В этом случае значительно облегчаются условия работы валов, но возрастают потери теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных 3 и загрузочных 6 окон. Нагревательные элементы 4 в конвейерных печах чаще всего размещаются на своде или в поду под верхней частью ленты конвейера, реже на боковых стенках. Эти печи в основном применяются для нагрева сравнительно мелких деталей до температуры около 1200 К.
Для температур выше 1400 К применяются печи непрерывного действия с перемещением садки путем проталкивания вдоль рабочего пространства – толкательные печи (рис.1.7). Они применяются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду 5 таких печей устанавливаются направляющие в виде труб, рельсов или роликового пода, изготовленных из жароупорного материала, и по ним в сварных или литых специальных поддонах перемещаются нагреваемые изделия 2. Перемещение поддонов обеспечивается электромеханическими или гидравлическими толкающими устройствами 1. Основное преимущество таких печей перед другими типами – их относительная простота, отсутствие сложных деталей из жароупорных материалов. Их недостатки – наличие поддонов, применение которых ведет к увеличению тепловых потерь и к повышенному расходу электрической энергии, ограниченный срок службы поддонов.
Рис.1.7. Схема толкательной печи: 1 – толкатель с приводным механизмом; 2 – нагреваемые изделия; 3 – теплоизолированный корпус; 4 – нагревательные элементы; 5 – подина печи: 6 – закалочная ванна
Толкательные печи предназначены для нагрева крупных заготовок правильной формы. Печи изготавливают без поддонов. При этом нагреваемые изделия укладывают в печь вплотную непосредственно на направляющие. Толкательные водородные печи предназначены для технологических процессов, требующих нагрева в водороде или диссоциированном аммиаке. Они широко применяются в электроламповом производстве, при производстве металлокерамических деталей и твердых сплавов, для обжига и спекания керамики, для отжига и пайки металлических деталей и т.д. Состав рабочего газа каждой печи регулируется самостоятельно и расход его контролируется. Разгрузочные камеры печей имеют предохранительные клапаны для защиты от разрушения в случае образования в них взрывоопасной смеси.
Протяжная электропечь – печь непрерывного действия для нагрева проволоки, прутков или ленты непрерывной протяжки через камеру нагрева, рис.1.8. Она представляет собой муфель 3 с нагревательным элементом 2, через который пропускается нагреваемое изделие 4.
Рис. 1.8. Протяжная электропечь: 1 – теплоизолирующий корпус; 2 – нагревательный элемент; 3 – муфель; 4 – нагреваемые изделия
Печи с рабочей температурой до 1500 К оборудованы металлическими муфелями, а при более высокой температуре – керамическими. Печи с температурой 1600 К оборудованы многоканальным алундовым муфелем, поверх которого намотан молибденовый нагревательный элемент 4.
В протяжных печах применяется также смешанный способ нагрева; прямой – с помощью контактных приводных роликов и косвенный – с помощью – нагревателя. Косвенный нагрев обеспечивает термообработку концов прутка в начале и в конце процесса, когда прямой нагрев не может быть осуществлен.
Электропечи сопротивлением для плавки металлов. В установках этого типа производится выплавка олова, свинца, цинка и различных сплавов на их основе, а также других металлов, имеющих температуру плавления 600-800 К. ЭПС имеют большое значение для выплавки алюминия и его сплавов, поскольку позволяют достичь высокой степени очистки. Достоинством этих печей является простота конструкции, источников питания и технологического процесса. Это дало возможность создать автоматизированные разливочные агрегаты с применением микропроцессоров и роботов-манипуляторов. С большой эффективностью они используются при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания и других деталей;
По конструктивному исполнению ЭПС можно подразделить на тигельные и камерные (или ванные).
Тигельные печи. Тигельные печи(рис.1.9) представляют собой металлический сосуд-тигель (из чугуна с внутренней обмазкой оксидами), помещенный в цилиндрический корпус, выполненный из огнеупорного материала 5, покрытый снаружи металлическим кожухом 6. Между тиглем и футеровкой размещены электрические нагревательные элементы 4. Приведенная на рис.1.9 конструкция тигельной печи оборудована механическим вытеснителем (дозатором 2) и применяется при массовом производстве, где дозирование металла в промежуточный ковш робота-манипулятора или литейную форму производится с помощью механических, пневматических или электромагнитных устройств. Механический вытеснитель 2 размещен на каретке, движущейся вверх и вниз по направляющей колонне. После расплавления металла и доведения его температуры до необходимого уровня вытеснитель опускается в тигель и вытесняет порцию металла, которая по обогреваемому желобу 1 поступает в литейную машину. Тигельные ЭПС других конструкций имеют механизм наклона, позволяющий наклонять печь и сливать расплавленный металл.
Рис.1.9. Тигельная ЭПС: 1 – желоб; 2 – дозатор; 3 – тигель; 4 – нагревательный элемент; 5 – футеровка; 6 – корпус; 7 – теплоизолятор
Камерные печи. Камерные печи по объему больше тигельных печей и применяются для переплавки алюминия на слитки. Во всех типах ЭПС возможны два способа обогрева: внутренний и внешний. При внутреннем обогреве нагревательные элементы (ТЭНы) размещены в расплавленном металле и работают при температуре не выше 800-850 K. При внешнем расположении открытые высокотемпературные нагревательные устройства позволяют получить температуры в рабочем пространстве печи 1200 К.
Камерные печи прямого нагрева. Печами прямого (контактного) нагрева принято называть такие печи, в которых преобразование электрической энергии в тепловую – происходит в нагреваемом материале или изделии при непосредственном подключении их к источнику питания электроэнергией. Нагрев материала осуществляется за счет прохождения через него электрического тока по закону Джоуля-Ленца.
Прямой нагрев эффективен для термообработки изделий, обладающих равномерным сечением по длине и значительным омическим сопротивлением. Прямой нагрев не имеет пределов по достижимым температурам, обладает высокой скоростью, пропорциональной вводимой мощности и высоким КПД.
Камерные печи прямого нагрева предназначены для нагрева заготовок под ковку, отжига: труб, проволоки, пружинной проволоки под навивку. Существуют камерные печи прямого нагрева периодического действия для спекания прутков и штабиков из порошков редких и тугоплавких металлов при температуре 3000 К в защитной атмосфере.
Камерные печи прямого нагрева включают в себя следующие основные узлы:
а) понижающий трансформатор, монтируемый в кожухе печи с обмоткой, охлаждаемой водой, и несколькими ступенями напряжения в диапазоне 5-25 В, обеспечивающий нагрев тел, имеющих разное электрическое сопротивление;
б) токопровод от выводов обмотки низкого напряжения трансформатора до водоохлаждаемых зажимов;
в) зажимы, обеспечивающие крепление нагреваемого изделия и необходимое давление в контактах подвода питания;
г) привод контактной системы;
д) приборы контроля и автоматического регулирования процесса нагрева.
В печах непрерывного действия для нагрева проволоки, труб прутков применяются твердые роликовые или жидкостные контакты.
Печи прямого нагрева используются также для графитизации угольных изделий, получения карборунда и т.д. Графитировочные печи выполняют прямоугольной формы с разъемными стенками, однофазными. В них достигается температура 2600-3100 К в вакууме или нейтральной атмосфере. Диапазон регулирования вторичного напряжения 100-250 В, потребляемая мощность 5-15 тыс. кВА.
|
|
|
