Расчет печи сопротивления

 
 

Электрические печи сопротивления и электронагревательные приборы получили широкое распространение в промышленности, транспорте, строительстве,

сельском хозяйстве, медицине и быту благодаря таким  достоинствам, как простота, надёжность, относительно высокий КПД, экологичность. В промышленности электрические печи сопротивления (ЭПС) применяют для плавления цветных металлов, нагрева металлических изделий перед пластической деформацией, термообработки, сушки. ЭПС обеспечивают сравнительно точный и равномерный нагрев при высоком КПД и скорости нагрева, могут работать с защитной атмосферой и вакуумом, что позволяет применять их для широкого круга технологических процессов.

Принцип действия и классификация ЭПС

Принцип действия ЭПС основан на выделении тепла  в проводнике, по которому протекает электрический ток. Количественно преобразование электрической энергии в тепловую энергию Q в проводнике с активным сопротивлением R при протекании тока I за время t описывается законом Джоуля - Ленца в интегральной форме: Q =I² R t.

По способу  выделения тепла различают ЭПС  косвенного и прямого действия. В  ЭПС косвенного действия преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется в специальном проводнике - нагревателе, а нагрев изделия происходит благодаря теплопередаче теплопроводностью, конвекцией пли излучением.

В ЭПС прямого  действия ток пропускается непосредственно  через нагреваемое изделие, которое  в этом случае должно быть проводящим, причём преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется благодаря активному сопротивлению изделия.

По конечной температуре нагрева ЭПС подразделяют: на низкотемпературные

(до 700 °С), на  среднетемпературные (от 700 до 1200 °С), на высокотемпературные (выше 1200 °С).

По назначению ЭПС бывают плавильные, в которых осуществляется расплавление материалов, и термические — для нагрева материалов в твердом состоянии.

По режиму работы различают ЭПС периодического действия или садочные, в которых   цикл   работы   последовательно   включает  загрузку,   нагрев, технологическую выдержку, выгрузку, и ЭПС непрерывного действия или методические, в которых процессы загрузки, нагрева, выдержки и разгрузки идут одновременно в процессе перемещения изделия через печь. Известно большое разнообразие конструкций ЭПС. Электропечи периодического действия бывают камерные, шахтные, камерные с выдвижным подом, колпаковые, элеваторные. ЭПС непрерывного действия отличаются в   основном механизмом перемещения изделия в печи и бывают туннельные, толкательные, с шагающимподом, конвейерные, рольганговые, карусельные, протяжные.

Среди ЭПС периодического действия наиболее распространены камерные и шахтные печи благодаря их простой конструкции.

В металлообрабатывающей  промышленности часто применяются средне-температурные печи, поэтому для учебного электрического расчета ЭПС выбрана электропечь косвенного нагрева, среднетемпературная. термическая, периодического действия камерной (рис. 1) или шахтной (рис. 2) конструкции.

Рис.1 Камерная электропечь: а) вид сбоку; б) вид спереди

1 - дверца; 2 - футеровка; 3 - изделие; 4 – нагреватель

Рис. 2 Шахтная  электропечь (вид сбоку): 1 - крышка; 2 - футеровка; 3- нагреватель; 4- нагреваемое изделие; 
 
 
 
 

Конструктивные  элементы ЭПС

Внутреннее пространство печи, в которое помещаются нагреваемые  изделия, называется рабочей камерой. Рабочая камера окружена футеровкой, обеспечивающей тепловую изоляцию, а в некоторых случаях герметизацию рабочей камеры. Нижняя часть футеровки называется подом, верхняя -сводом, остальная - образует боковые стенки.

К конструкционным элементам печи относятся также жароупорные детали для поддерживания или перемещения нагреваемых изделий в печи (поддоны, подовые плиты, металлические направляющие профильные изделия и т.п.).

Поскольку для  среднетемпературных печей разность температур на внутренней и наружной поверхностях футеровки достигает тысячи и более градусов, футеровка обычно имеет два слоя: огнеупорный (внутренний, образующий рабочую камеру) и теплоизоляционный. Температура на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев должна быть не более 600 °С, а температура наружной поверхности печи - не более 60 °С. Исходя из этих требований огнеупорный слой выкладывают из шамотных кирпичей или блоков с огнеупорной обмазкой поверхности рабочей камеры также на основе шамота. Теплоизоляционный слой выполняют обычно из диатомита (огнеупорность до 800-950 °С).

Наиболее ответственной  частью печи является нагреватель. Его  чаще всего выполняют из проволоки  или ленты, материалом для которых  служат жаростойкие сплавы на основе хрома, алюминия, никеля, железа. Конструктивно нагреватель состоит из нескольких нагревательных элементов, сформированных в виде спирали или зигзага и соединённых согласно электрической схеме ЭПС.  Спиральные нагревательные элементы (рис. 3) размещают либо на керамических полочках на боковых стенках печи, либо в пазах керамических плит, либо на керамических трубках, закреплённых во втулках. 

Рис 3. Проволочный  спиральный нагреватель:

а) общий вид; б) проволочная спираль в пазу; в) проволочная спираль на трубках; г) проволочная спираль на полочке; 

s- шаг спирали; Do - средний диаметр спирали; D - наружный диаметр спирали; d - диаметр проволоки; S - расстояние между осями соседних рядов спирали; с - ширина паза; h - глубина паза; h' - ширина полочки; D_T - диаметр трубки; S' - шаг полочек; с' - расстояние между полочками. Рекомендуемые соотношения: s/d = 2,0;        D_o/d = 6-10;     с'= 98 мм; S/D_o = 2,0;      h/c = 1,5;     h^' = 59 мм; Dт/D= 0,5; S/c = 1,5; S' = 105 мм.

Зигзагообразные нагревательные элементы (рис. 4 и 5) крепят на боковых стенках печи с помощью штырей из хромоникелевого сплава, на своде - с помощью крючков, в поду - размещают в пазах, образованных специальным фасонным подовым кирпичом. 
 

Рис 4. Проволочный  зигзагообразный нагреватель.

а) общий вид; б) проволочный зигзаг в пазу; в) проволочный  зигзаг на полочке; 
 

d - диаметр проволоки; е' - полушаг зигзага; е - расстояние между соседними проводниками в зигзаге; В',В - размах зигзага; D - расстояние между соседними зигзагами; h - высота паза; с - ширина паза; S - расстояние между средними линиями соседних зигзагов; h'- ширина полочки; с' - расстояние между полочками; S'- шаг полочек. Рекомендуемые соотношения: D/B = 0,25;   e'/d = 2,5-4,5; S'= 105 мм; D/B = 0,25;   e'/d = 2,5-4,5;       S' = 105 мм; h/c = 0,3; В = 200-400 мм;   В' = 50 мм; c/d = 10;        h' =59 мм; S/c = 1,25;      с' = 98 мм

Рис 5. Ленточный  зигзагообразный нагреватель:

 а) общий вид; б) ленточный зигзаг в пазу; в) ленточный зигзаг на полочке; 

а, б - размеры  сторон ленты; е' - полушаг зигзага; е - расстояние между соседними лентами в зигзаге; В', В - размах зигзага; D - расстояние между соседними рядами зигзага; с - ширина паза; h - высота паза; S - расстояние между средними линиями соседних пазов; h' - ширина полочки; с' - расстояние между полочками; S'- шаг полочек. Рекомендуемые соотношения: b/a=10; h'=59 мм; е/b>0,8; h/c=0,3; S/c=l,25; с'=98 мм; h/c=0,3; D/B=0,25; S'=105 мм; В'=50 мм; В=150-400мм. 
 

Тепловой  расчет печи сопротивления

Тепловой расчёт проводят с целью определения мощности печи и мощностей её тепловых зон, а также оптимального размещения нагреваемых изделий, оптимальных размеров печи. При проектировании ЭПС периодическою действия обычно задают либо её единовременную загрузку, либо часовую производительность. Конструируют печную камеру, определяют её размеры и параметры, учитывая следующие условия.

>        Внутренние размеры камеры печи  должны быть по возможности  малы и соответствовать размерам  загрузки; наличие вредного, неиспользованного пространства в камере печи приводит к увеличению её внешних размеров и тепловых потерь. С другой стороны, внутренние размеры камеры печи должны быть таковы, чтобы садку было удобно загружать и вынимать из печи и в камере мог разместиться рабочий, производящий ремонт печи.

>        Внешние габариты печи определяются  её внутренними размерами и  толщиной кладки. Кладка должна  обеспечивать низкую температуру  кожуха печи (не выше 60 °С при  температуре окружающего воздуха  20 °С) и, следовательно, малые тепловые потери печи.

>        Расположение нагревательных элементов  в печи должно определяться   в основном технологическими требованиями. В печах, где требуется высокая равномерность нагрева, желательно применять расположение нагревательных элементов на своде, в поду и на боковых стенках печной камеры, а иногда на задней стенке и дверце печи. Расположение нагревательных элементов в печи должно соответствовать расположению в ней изделий для того, чтобы обеспечить лучшие условия теплопередачи. В крупных печах целесообразно создавать несколько тепловых зон. Разбивка печи на тепловые зоны значительно улучшает управление печью и облегчает поддержание в ней равномерной температуры, однако при этом одновременно возрастает стоимость электрооборудования.

Для теплового  расчета должен быть задан тепловой цикл работы печи. Несмотря на то, что для каждого конкретного технологического процесса рассчитывают индивидуальный цикл работы печи, можно выделить три обобщенных вида цикла (рис. 6), где t_Н, t_В, t₀, t_В.З, - время соответственно нагрева, выдержки, охлаждения, простоя при выгрузке и загрузке; t'_И, t"_И, t'"_И - температура садки соответственно в начале нагрева, в конце нагрева и после охлаждения). Первый вид цикла (рис.6а) используют для нагрева тонкостенных изделий с высоким коэффициентом теплопроводности, второй (рис. 6б) - для закалки, отпуска, нормализации, термохимической обработки, третий (рис. 6в) - для отжига металлов, керамики, процесса спекания, получения монокристаллов. Для дальнейшего рассмотрения принимаем третий вид цикла, т. к. первые два могут быть получены из него упрощением.

Тепловой расчет основан на рассмотрении теплового  баланса за один цикл работы печи:                             

Q_h ⁼ Q_И + Q_b + Q_П ,

где      Q_h - количество тепла, выделенною нагревательными элементами за цикл; Q_н - полезное тепло, идущее на нагрев изделия; Q_в - вспомогательное тепло, идущее на нагрев жароупорных поддонов, газа; Q_П - тепловые потери за цикл:

.

 Здесь С_И- средняя удельная теплоёмкость садки в интервале температур (t"_И;t'_И); G_И- масса садки:

где С_Ж, G_Г - средняя удельная теплоёмкость жароупорных деталей и газа в соответствующем интервале температур; G_Ж, С_Г - масса жароупорных деталей и газа; t'_ж, t"_ж, t'_г, t"_г - температуры жароупорных деталей и газа соответственно в начальном и нагретом состояниях:  .  

где     k_П      1,15-1,3-  коэффициент неучтённых  потерь;   q_П.H ,q_П.В ,q_П.О ,q_П.B.3— мощности тепловых потерь соответственно при нагреве, выдержке, охлаждении, выгрузке и загрузке.

Как следует  из цикла работы печи, q_П.H = q_П.B = q_П.С, где q_П.С - мощность потерь через стенки печи. Для цилиндрической шахтной печи мощность потерь через боковые стенки

где t_ВН, t_НАР- температура воздуха соответственно внутри и снаружи печи; a_вн, a_нар — коэффициент теплоотдачи конвекцией соответственно на внутренней и наружной поверхности футеровки; D₁ D₂, D₃ - диаметры соответственно внутpeнний (D₁=D_n), цилиндра раздела огнеупорного и теплоизолирующего слоев футеровки и наружный; a₁ , a₂ - коэффициенты теплопроводности слоев футеровки; Н_п - высота рабочей камеры печи.

Для определения  потерь тепла камерной ЭПС, а также  определения потерь тепла через  крошку и днище круглой цилиндрической ЭПС используется формула стационарной теплопередачи через плоскую многослойную конечную стенку. Для двухслойной футеровки