Расчет печи сопротивления (стр. 3 из 5)

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_Sнеобходимо 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_ПОТ¹ 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.

Последовательность электрического расчета печи

1. На основании исходных данных для расчета (табл. 1) намечают расположение нагревателя в печи исходя

- из конструкции печи,

-конструкции нагревателя,

-положения изделия,

-требований к равномерности нагрева.

В простых случаях, когда отсутствуют специальные требования, целесообразно расположить нагреватели на боковых стенках печи.

2. Определяют удельную поверхностную тепловую мощность Р_уд на внутренней поверхности печи F_ФУТ, где расположен нагреватель:

По номограмме (рис. 8), зная конечную температуру изделия t_И и Р_уд, определяют необходимое значение температуры нагревателя t_H и ориентировочное значение W_УД. Если t_Hполучается более 1200 °С, что слишком много для металлическихнагревателей,необходимоувеличить F_фут за счет размещения нагревателя на незанятых поверхностяхфутеровки.

3. Выбирают материал нагревателя(табл 2)из условия

4. Определяют W_ИД, для заданного материала изделия (рис. 9) по известным t_Н и t_И.

5. Определяют удельную поверхностную мощность реального нагревателя W = aW_ИД, где коэффициент a определяют для заданной конструкции нагревателя и материала нагреваемого изделия (табл. 3).

6. Задаются электрической схемой нагревателя. Для выравнивания нагрузки по фазам обычно принимают симметричную трехфазную схему включения нагревательных элементов (НЭ). Для маломощных печей целесообразно соединить нагревательные элементы по схеме "звезда", т. к. при этом напряжение на НЭ меньше, а ток больше, что позволяет увеличить сечение НЭ и соответственно срок службы. Для более мощных печей применяют схемы "треугольник", если сечение НЭ получается достаточно большим. Для мощных печей нагреватели имеют две и более параллельные ветви (двойная "звезда").

Мощность одного НЭ Р_нэ⁼P_П/(m_Фn), где m_ф - число фаз, n - число параллельных ветвей.

7. Определяют размеры нагревательного элемента. Для одного НЭ из системы уравнений (1) можно получить

(8)

где S_Н.Э, П_H.Э - соответственно площадь и периметр поперечного сечения нагревательного элемента.

Для проволочного нагревателя круглого сечения, диаметром d, подставляя S_H.Э = π·d² /4, П_Н.Э= π·d в (8), получим

(9)

Для ленточного нагревателя прямоугольного сечения (a×b) S_H.Э=ab= mа²; П_Н.Э =2(а+b)=2(m+1)а, где m =b/а = (5-15) - оптимальные соотношения ширины b и толщины а ленты. Ориентировочно можно принять m = 10. После подстановки в (8) получим

(10)

Варианты заданий

Таблица1

Цифра шифра	Наименование	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Первая	Мощность печи РП, кВт	25	30	40	50	60	70	80	90	100	120
	Высота печи HП (длина рабочей камеры печи LП), мм	800	900	1000	1200	1300	1500	1800	2000	2500	3000
	Диаметр печи DП (ширина и высота рабочей камеры печи BП), мм	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500
Вторая	Конструкция печи	камерная	шахтная	камерная	шахтная	камерная	шахтная	камерная	шахтная	камерная	шахтная
	Конечная температура изделии tИ,°С	400	600	800	900	1000	400	600	800	900	1000
	Материал изделия	алюминий	алюминий	медь	сталь	сталь	алюминий	латунь	медь	сталь	сталь
	Конструкция нагревателя (см.прим)	1	2	2	3	4	3	4	5	6	5

Примечание: 1- Проволочная спираль на керамической трубке

2 - проволочный зигзаг на стенке

3 - проволочная спираль на керамической полочке

4 - проволочный зигзаг на керамической полочке

5 - ленточный зигзаг на стенке

6 - ленточный зигзаг на полочке

Таблица 2

Основные характеристики материалов для нагревательных элементов

Наименование, марка, химический состав	Плотность при 0°С γ, кг/м3	Удельное электрическое сопротивление ρ·10-6,Ом·м, при t, °С	Температура плавления tПЛ, °C	Максимальная рабочая температура tМ.Р. , °С	Глубина окисления за 100 ч, мм
Фехраль Х13Ю4 (ЭИ-60)	7400	1,26 + 6·10-5t	1450	800	0,023 (t = 700 °С ) 0,023 (t = 800 °С )
Х25Н20 (ЭП-74)	7880	0,92+ 38·10-5t	1400-1430	1000	0,002 (t = 900 °С ) 0,0033 (t = 950 °С ) 0,0039(t = 1000°C)
Тройной нихром Х15Н60	8200	1,1 + 14·10-5t	1370-1410	1000	0,002 (t = 900 °С ) 0,003 (t = 950 °С) 0,005 (t= 1000 °С)
Двойной нихром Х20Н80	8400	l,l + 8,5·10-5t	1390-1420	1100	0,0016 (t = 800 °С) 0,0075 (t = 1000 °С) 0,02 (t= 1100 °С)
ХН70Ю (ЭИ-625)	7900	1,4.+5·10-5t	1390-1420	1200	0,0033 (t = 900 °С ) 0,0017 (t=1000°C) |0,0018 (t=1050°C) 0,0045 (t= 1200°C)
ОХ23Ю5А (ЭИ-595)	7270	l,4 + 5·10-5t	1500-1510	1200	0,001 (t= 1050 °C) 0,002 (t= 1100°C) 0,013 (t= 1200°C)
ОХ27Ю5А (ЭИ-626)	7190	1,4 + 5·104t	1500-1510	1300	0,001 (t = 900°C) 0,002 (t=1000°C) 0,003 (t= 1050 °C) 0,014 (t= 1030°C)