Электрический расчёт печей сопротивления

1. Электрический расчет печей сопротивления сводится к выбору материала нагревателя и определению его геометрических размеров при известной рабо­чей температуре, мощности печи и размерах рабочего пространства.

Расчет должен обеспечивать выполнение следующих требований:

- нагреватель должен отдавать заданную мощность, чтобы обеспечить задан­ную скорость нагрева;

- желательно наиболее полно использовать материал нагревателя, т. к. он до­рог;

- интенсивность использования нагревателя должна учитывать достаточный срок службы;

- нагреватель должен иметь достаточную площадь для обеспечения равномерного нагрева загрузки;

- сечение нагревателя должно быть достаточным по механической прочности. Срок службы материала нагревателя зависит от целого ряда факторов: рабо­чей температуры, характера её изменения во времени, конструкции и размеров нагревателя, воздействия на него атмосферы печи. Срок службы может быть обусловлен постепенным окислением материала в работе или потерей нагрева­телем механической прочности. Применяемые для нагревателей материалы об­разуют при нагреве плотные окисные плёнки, защищающие основной материал от дальнейшего окисления, поэтому до определённых температур окисление развивается крайне медленно, а после перехода через этот температурный уро­вень процесс резко ускоряется. Максимально допустимой температурой данно­го материала считается температура, начиная с которой резко усиливается про­цесс окисления.

При окислении нагревателя плёнка окисла на нём постепенно утолщается, а сечение металлической сердцевины уменьшается. Поэтому сопротивление на­гревателя постепенно увеличивается, а выделяющаяся в нём мощность падает. Когда уменьшение мощности достигает 10-15 % нагреватель приходится заме­нять на новый.

Также причиной выхода нагревателя из строя может явиться его недоста­точная механическая прочность при высоких температурах, склонность к ползучести или короблению. При этом может получиться замыкание сосед­них витков и петель.

2. Электрический расчет ЭПС для выполнения РГР рассмотрим применитель­но к наиболее распространенной среднетемпературной печи сопротивления с рабочей температурой свыше 700 °С и теплоотдачей преимущественно излуче­нием.

Уравнение преобразования энергии и нагревателе составим из условия равенства подводимой электрической мощности Р_ЭЛ и излучаемой с поверхности нагревателя тепловой мощности Р_Т, причём эти мощности должны быть равны расчетной мощности нагревателя Р_Н (Р_Д):

 

                                                                 (1)

 

где U_h - напряжение на нагревателе, В; S_h - сечение нагревателя, м²; r -удельное сопротивление материала нагревателя, Ом м; L_H - длина нагревателя, м; W - удельная поверхностная мощность излучения, Вт/м²; F_Н-поверхность на­гревателя, м².

Система уравнений (1) имеет бесконечное множество решений, т.к. число неизвестных больше числа уравнений. Оптимальным решением из всего мно­жества решений являются параметры нагревателя, удовлетворяющего приве­дённым выше требованиям и имеющего минимальные приведённые затраты на нагрев единицы продукции.

Однако решение такой оптимизационной задачи достаточно сложно и трудо­ёмко, поэтому в инженерных расчетах принято ряд параметров (U_h,V, материал и конструкция нагревателя) выбирать исходя из требований целесообразности, опыта проектирования и эксплуатации ЭПС.

Напряжение на нагревателе U_H целесообразно выбрать равным одному из стандартных напряжений в цеховой сети (220 или 380 В), что позволит обой­тись без печного трансформатора.

Материал нагревателя желательно выбрать из условия максимального его использования по допустимой рабочей температуре.

Конструкция нагревателя зависит от типа печи, эффективности использова­ния внутренней поверхности футеровки, а также имеющейся в распоряжении номенклатуры проволоки или ленты.

Рекомендации по выбору удельной поверхностной мощности W основыва­ются на решении идеальной задачи (рис 7а) теплообмена P₁₂ между нагревате­лем 1 и изделием 2 при допущениях:

- потери энергии через футеровку отсутствуют;

- нагреватель сплошной, т.е. теплообмен между футеровкой и изделием от­сутствует;

- нагреватель и изделие являются абсолютно черными телами.

 

 

Рис 7. Схема теплопередачи в электрических печах сопротивления

а) печь со сплошным нагревателем; б) печь с несплошным нагревателем;

1 - нагреватель; 2- изделие; 3- футеровка

 

Следовательно, заданная мощность нагревателя Р_Н идёт только на нагрев из­делия в процессе теплообмена излучением между двумя телами: нагревателем и изделием (Р₁₂).

                                                               (2)

где Т₁,Т₂ - абсолютные температуры нагревателя и изделия;

Cs= 5,76 Вт/(м²-К)— коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

В действительности нагреватель и изделие не являются абсолютно чёрными телами, поэтому вместо С _S необходимо подставить С₁₂ - приведённую излучательную способность пары "нагреватель - изделие":

 

,                                          (3)

где e_н, e_и- степень черноты поверхности соответственно нагревателя и изделия. Удельная поверхностная мощность для сплошного нагревателя

                    (4)

При расчете реального нагревателя (рис 7,б) необходимо учесть, что

- часть лучевого потока нагревателя попадает на футеровку и рассеивается через неё (Р_ПОТ ¹ 0);

- часть лучевого потока нагревателя попадает на поверхность нагревателя,

- нагреватель не сплошной, поэтому между футеровкой и изделием существует теплообмен.

Следовательно, задачу с реальным нагревателем можно свести к лучевому теплообмену трёх тел: нагревателя, изделия и футеровки. Система уравнений для мощности нагревателя Р_Н полезной мощности, подводимой к изделию Р_И и мощности потерь через футеровку Р_ПОТ:

 

(5)

 

где С₁₂, С₁₃, С₃₂ - приведенные излучательные способности соответствующих

пар тел;

F₁₂,F₁₃,F₃₂ - взаимные поверхности облучения пар тел.

Преобразуя систему (5), можно задачу с тремя телами свести к рассмотрен­ной выше идеальной задаче с двумя телами:

 

                                   (6)

 

где  

Из уравнения (6) следует, что реальный нагреватель с физической поверхно­стью Fh и удельной поверхностной мощностью W может быть заменён эквива­лентным по мощности, передаваемой изделию, идеальным сплошным нагрева­телем с площадью F_akt и удельной поверхностной мощностью W_ИД.

Пусть F_akt =aF_h, где a- коэффициент, учитывающий отличие условий теп­лоотдачи реальным и идеальным нагревателями и зависящий от материалов на­гревателя и изделия, конструкции нагревателя.

Из условия эквивалентности по мощности

          (7)

следует, что W = aW_ИД.

Значения параметров a и W_ИД в зависимости от конструкции, материала и температуры нагревателя, материала, и температуры изделия приведены в справочных данных [1,2], что позволяет определить значение W из уравнения (7).

Выбрав Uh, материал, конструкцию, температуру нагревателя, следовательно, зная W и ρ, можно решить систему (1) и определить размеры нагревателя.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: