1

Тема: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

Самый простой способ рассчитать нагреватель, воспользоваться онлайн-калькулятором.

Ниже идет перепечатка статьи с сайта Хорса. Ссылка на статью на родном сайте постоянно меняется, и картинки куда-то пропадают, поэтому решил продублировать ее здесь.

Расчет проволочного нагревателя электрической печи

Автор: Геннадий Сурков      
15.12.2011 00:06

Как связаны объем, мощность и темп нагрева печи.

Как уже говорилось в другом месте, обычных печей не бывает. Точно также не бывает печей для обжига фаянса или игрушек, красной глины или бусин. Бывает просто печь (а здесь мы говорим исключительно об электрических печах) с некоторым объемом полезного пространства, выполненная из некоторых огнеупоров. В эту печь можно поставить на обжиг одну большую или маленькую вазу, а можно - целую этажерку плит, на которых будут лежать толстые шамотные изразцы. Обжигать вазу или изразцы нужно, может быть, на 1000°C, а может быть и на 1300°C. По многим производственным или бытовым соображениям, обжиг должен пройти за 5-6 часов или за 10-12.

Никто не знает, что Вам нужно от печи, лучше, чем Вы сами. Поэтому прежде, чем приступить к расчету, нужно прояснить для себя все эти вопросы. Если печь уже есть, но в нее надо установить нагреватели или поменять старые на новые, отпадает необходимость в конструировании. Если печь строится с нуля, начинать надо с выяснения габаритов камеры, то есть с длины, глубины, ширины.

Предположим, Вы уже знаете эти значения. Предположим, что Вам нужна камера с высотой 490 мм, шириной и глубиной 350 мм. Далее в тексте печь с такой камерой мы будем называть 60-литровой. Одновременно мы будем проектировать вторую печь, покрупнее, с высотой H=800 мм, шириной D=500 мм и глубиной L=500 мм. Эту печь мы будем называть 200-литровкой.

Объем печи в литрах = H x D x L,
где H, D, L выражены в дециметрах.

Если Вы правильно перевели милиметры в дециметры, объем первой печи должен получиться 60 литров, объем второй - действительно 200! Не подумайте, что автор ехидничает: самые распространенные ошибки в расчетах - ошибки в размерностях!

Приступаем к следующему вопросу - из чего сделаны стенки печи. Современные печи практически все выполнены из легких огнеупоров с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью. Очень старые печи сделаны из тяжелого шамота. Такие печи легко узнать по массивной футеровке, толщина которой чуть ли не равна ширине камеры. Если у Вас этот случай, Вам не повезло: во время обжига 99% энергии будет тратиться на нагрев стенок, а не изделий. Предполагаем, что стенки выполнены из современных материалов (МКРЛ-08, ШВП-350). Тогда на нагрев стенок будет тратиться всего 50-80% энергии.
Очень неопределенным остается масса загрузки. Хоть она, как правило, меньше, чем масса огнеупоров стенок ( плюс пода и свода) печи, эта масса, конечно же, внесет свой вклад в темп нагрева.

Теперь о мощности. Мощность - это сколько тепла выделяет нагреватель в 1 секунду. Единица измерения мощности - ватт (сокращенно Вт). Яркая лампочка накаливания - это 100 Вт, электрический чайник - 1000 Вт, или 1 киловатт (сокращенно 1 кВт). Если включить нагреватель мощностью 1 кВт, он будет каждую секунду выделять тепло, которое по закону сохранения энергии будет уходить на нагрев стенок, изделий, улетать с воздухом через щели. Теоретически, если никаких потерь через щели и стенки нет, 1 кВт в состоянии за бесконечное время нагреть все что угодно до бесконечной температуры. Практически для печей известны реальные (примерные средние) теплопотери, поэтому есть следующее правило-рекомендация:

Для нормального темпа нагрева печи 10-50 литров нужна мощность
100 Вт на каждый литр объема.

Для нормального темпа нагрева печи 100-500 литров нужна мощность
50-70 Вт на каждый литр объема.

Значение удельной мощности нужно определять не только с учетом объема печи, но и с учетом массивности футеровки и загрузки. Чем больше масса загрузки, тем большее значение нужно выбирать. В противном случае печь нагреется, но за большее время. Выберем для нашей 60-литровки удельную мощность 100 Вт/л, а для 200-литровки - 60 Вт/л. Соответственно получим, что мощность нагревателей 60-литровки должна составлять 60 х 100 = 6000 Вт = 6 кВт, а 200-литровки - 200 х 60 = 12000 Вт = 12 кВт. Смотрите, как интересно: объем увеличился в 3 с лишним раза, а мощность - только в 2. Почему? (Вопрос для самостоятельной работы).

Бывает, что нет в квартире розетки на 6 кВт, а есть только на 4. Но нужна именно 60-литровка! Что же, можно посчитать нагреватель на 4 киловатта, но смириться с тем, что стадия нагрева при обжиге будет продолжаться часов 10-12. Бывает, что, наоборот, необходим нагрев за 5-6 часов очень массивной загрузки. Тогда в 60-литровую печь придется вложить 8 кВт и не обращать внимание на раскалившуюся докрасна проводку... Для дальнейших рассуждений ограничимся классическими мощностями - 6 и 12 кВт соответственно.

Мощность, амперы, вольты, фазы.

Зная мощность, мы знаем потребность в тепле для нагрева. По неумолимому закону сохранения энергии мы должны ту же мощность забрать из электрической сети. Напоминаем формулу:

Мощность нагревателя (Вт) = Напряжение на нагревателе (В) х Ток (А)
или P = U x I

В этой формуле два подвоха. Первый: напряжение нужно брать на концах нагревателя, а не вообще в розетке. Напряжение измеряется в вольтах (сокращенно В). Второй: имеется в виду ток, который течет именно через этот нагреватель, а не вообще через автомат. Ток измеряется в амперах (сокращенно А).

Нам всегда задано напряжение в сети. Если подстанция работает норамально и сейчас не час пик, напряжение в обычной бытовой розетке будет 220 В. Напряжение в промышленной трехфазной сети между любой фазой и нулевым проводом тоже равно 220В, а напряжение между любыми двумя фазами- 380 В. Таким образом в случае бытовой, однофазной, сети у нас нет выбора в напряжении - только 220 В. В случае трехфазной сети выбор есть, но небольшой - или 220, или 380 В. А как же амперы? Они получатся автоматически из напряжения и сопротивления нагревателя по великому закону великого Ома:

Закон Ома для участка электрической цепи:
Ток (А) = Напряжение на участке (В) / Сопротивление участка (Ом)
или I = U / R

Для того, чтобы получить 6 кВт из однофазной сети, нужен ток I = P / U= 6000/220 = 27,3 ампера. Это большой, но реальный ток хорошей бытовой сети. Например, такой ток течет в электроплите, у которой включены все конфорки на полную мощность и духовка тоже. Чтобы получить в однофазной сети 12 кВт для 200-литровки, потребуется вдвое больший ток - 12000/220 = 54,5 ампера! Это недопустимо ни для какой бытовой сети. Лучше воспользоваться тремя фазами, т.е. распределить мощность на три линии. В каждой фазе будет протекать 12000/3/220 = 18,2 ампера.

Обращаем внимание на последнее вычисление. На данный момент мы НЕ ЗНАЕМ, какие будут нагреватели в печи, мы НЕ ЗНАЕМ, какое напряжение (220 или 380 В) будет подано на нагреватели. Но мы точно ЗНАЕМ, что от трехфазной сети нужно отобрать 12 кВт, нагрузку распределить равномерно, т.е. по 4 кВт в каждой фазе нашей сети, т.е. по каждому фазному проводу входного (общего) автомата печи потечет 18,2А, и совсем не обязательно такой ток потечет по нагревателю. Кстати, 18,2 А будет проходить и через счетчик электроэнергии. (И еще кстати: по нулевому проводу тока не будет из-за особенностей трехфазного питания. Эти особенности здесь игнорируются, так как нас интересует исключительно тепловая работа тока). Если у Вас в этом месте изложения возникают вопросы, прочитайте все еще раз. И подумайте: если в объеме печи выделяется 12 киловатт, то по закону сохранения энергии те же 12 киловатт проходят по трем фазам, по каждой - 4 кВт...

Вернемся к однофазной 60-литровой печке. Легко найти, что сопротивление нагревателя печи должно составлять R = U / I = 220 В / 27,3 А = 8,06 Ома. Поэтому в самом общем виде электросхема печи будет выглядеть так:

Расчет нагревателей-спиралей печи

По нагревателю с сопротивлением 8,06 Ома должен течь ток 27,3 А

Для трехфазной печи потребуется три одинаковых цепи нагрева: на рисунке - самая общая электросхема 200-литровки.

Расчет нагревателей-спиралей печи

Мощность 200-литровой печи надо равномерно распределить на 3 цепи - A, B и C.

Но каждый нагреватель можно включить или между фазой и нулем, или между двумя фазами. В первом случае на концах каждой цепи нагрева будет 220 вольт, и ее сопротивление составит R = U / I = 220 В / 18,2 А = 12,08 Ома. Во втором случае на концах каждой цепи нагрева будет 380 вольт. Для получения мощности 4 кВт нужно, чтобы ток был I = P / U = 4000/380 = 10,5 ампера, т.е. сопротивление должно быть R = U / I = 380 В / 10,5 А = 36,19 Ома. Эти варианты подсоединений называются "звезда" и "треугольник". Как видно из значений необходимого сопротивления, поменять просто так схему питания со звезды (нагреватели по 12,08 Ома) на треугольник (нагреватели по 36,19 Ома) не получится - в каждом случае нужны свои нагреватели.

Расчет нагревателей-спиралей печи
   
В схеме "звезда" каждая нагревательная цепь включена между фазой и нулем на напряжение 220 Вольт.
По каждому нагревателю сопротивлением 12,08 Ома течет ток 18,2 А. По проводу N ток не течет.

Расчет нагревателей-спиралей печи

В схеме "треугольник" каждая нагревательная цепь включена между двумя фазами на напряжение 380 Вольт.
По каждому нагревателю сопротивлением 36,19 Ома течет ток 10,5 А. По проводу, соединяющему точку А1 с автоматом питания (точка А) течет ток 18,2 А, так что 380 х 10,5 = 220 х 18,2 = 4 киловатта!
Аналогично с линиями B1 - В и С1 - С.

Домашнее задание. В 200-литровке была звезда. Сопротивление каждой цепи - 12,08 Ома. Какая получится мощность печи, если эти нагреватели включить на треугольник?

Предельные нагрузки проволочных нагревателей (Х23Ю5Т).

Полная победа! Мы знаем сопротивление нагревателя! Осталось просто отмотать кусок проволоки нужной длины. Не будем утомляться расчетами с удельным сопротивлением - все уже давно посчитано с достаточной для практических нужд точностью.

Диаметр, ммМетров в 1 кгСопротивление 1 метра, Ом
1,5720.815
2,0400.459
2,5250.294
3,0180.204
3,5130.150
4,0100.115

Для 60-литровой печи нужно 8,06 Ома, выберем полторашку и получим, что искомое сопротивление дадут всего 10 метров проволоки, которые будут весить всего-то 140 грамм!

Поразительный результат!

Давайте еще раз проверим: 10 метров проволоки диаметром 1,5 мм имеют сопротивление 10 х 0,815 = 8,15 Ома. Ток при 220 вольт будет 220 / 8,15 = 27 ампер. Мощность получится 220 х 27 = 5940 Ватт = 5,9 кВт. Мы и хотели 6 кВт.

Нигде не ошиблись, настораживает только то, что таких печей не бывает…

Расчет нагревателей-спиралей печи

Одинокий раскаленный нагреватель в 60-литровой печи.

Нагреватель очень маленький, что ли. Такое создается ощущение при рассматривании вышеприведенной картинки. Но мы занимаемся расчетами, а не философией, поэтому от ощущений перейдем к цифрам. Цифры говорят следующее: 10 погонных метров проволоки диаметром 1,5 мм имеют площадь S = L x d x пи =1000 x 0,15 x 3,14 = 471 кв. см. С этой площади (а откуда же еще?) в объем печи излучается 5,9 кВт, т.е. на 1 кв. см площади приходится излучаемая мощность 12,5 Ватт. Опуская детали, укажем, что нагревателю необходимо раскалиться до огромной температуры, прежде чем температура в печи существенно повысится.

Перекал нагревателя определяется значением так называемой поверхностной нагрузки p, которую мы выше и посчитали. На практике для каждого типа нагревателя существуют предельные значения p, зависящие от материала нагревателя, диаметра и температуры. С хорошим приближением для проволоки из отечественного сплава Х23Ю5Т любого диаметра (1,5-4 мм) можно пользоваться значением 1,4-1,6 Вт/см2 для температуры 1200-1250oC.

Физически перекал можно связать с разницей температуры на поверхности проволоки и внутри ее. Тепло выделяется во всем объеме, поэтому чем выше поверхностная нагрузка, тем сильнее будут отличаться эти температуры. При температуре на поверхности, близкой к предельной рабочей температуре, температура в сердцевине проволоки может приблизится к температуре плавления.
   
Расчет нагревателей-спиралей печи

Поверхностная нагрузка выше предельной, еще чуть-чуть и проволока перегорит.

Расчет нагревателей-спиралей печи

Нормальная поверхностная нагрузка.

Если печь проектируется для невысоких температур, поверхностную нагрузку можно выбрать побольше, например, 2 - 2,5 Вт/см2 для 1000oC. Здесь можно сделать грустное замечание: настоящий кантал (это оргинальный сплав, аналогом которого является российский фехраль Х23Ю5Т) допускает p до 2,5 при 1250°C. Делает такой кантал шведская фирма Кантал.

Вернемся к нашей 60-литровке и выберем из таблицы проволоку потолще - двойку. Понятно, что двойки придется брать 8,06 Ом / 0,459 Ом/м = 17,6 метра, а весить они будут уже 440 грамм. Считаем поверхностную нагрузку: p = 6000 Вт / (1760 х 0,2 х 3,14) см2 = 5,43 Вт/см2. Много. Для проволоки диаметром 2,5 мм получится 27,5 метра и p = 2,78. Для тройки - 39 метров, 2,2 килограмма и p= 1,66. Наконец-то.

Теперь нам придется мотать 39 метров тройки (если лопнет - начинать мотать сначала). Но можно использовать ДВА нагревателя, включенные параллельно. Естественно, сопротивление каждого должно быть уже не 8,06 Ома, а вдвое больше. Следовательно, для двойки получится два нагревателя по 17,6 х 2 = 35,2 м, на каждый придется по 3 кВт мощности, а поверхностная нагрузка составит 3000 Вт / (3520 х 0,2 х 3,14) см2 = 1,36 Вт/см2. И вес - 1,7 кг. Полкило сэкономили. Получили в сумме много витков, которые можно равномерно распределить по всем стенкам печи.

Расчет нагревателей-спиралей печи

Хорошо распределенные нагреватели в 60-литровой печи.

Расчет нагревателей-спиралей печи

Расчет нагревателей-спиралей печи

Два нагревателя по 16,12 Ома включены параллельно на 220 Вольт. Каждый выделяет 3 кВт мощности и работает без перекала.
Можно для проволоки каждого диаметра посчитать максимальный (в порядке рекомендации) ток, который по ней может протекать, не вызывая перекала.

Диаметр, ммПредельный ток для p=2 Вт/см2 при 1000oCПредельный ток для p=1,6 Вт/см2 при 1200oC
1,510,89,6
2,016,514,8
2,523,420,7
3,030,827,3
3,538,534,3
4,046,841,9

Пример расчета печи 200 литров.

Теперь, когда известны основные принципы, покажем, как они используются в расчете реальной 200 литровой печи. Все стадии расчета, естественно, можно формализовать и записать в простенькую программу, которая будет почти все делать сама.

Нарисуем нашу печь "в развертке". Мы как бы смотрим на нее сверху, в центре - под, по бокам стенки. Рассчитаем площади всех стенок, чтобы потом правильно, пропорционально площади, организовать подачу тепла.

Расчет нагревателей-спиралей печи

"Развертка" 200-литровой печи.

Мы уже знаем, что при соединении звездой в каждой фазе должен протекать ток 18,2А. Из вышеприведенной таблицы по предельным токам следует, что для проволоки диаметром 2,5 мм можно использовать один нагревательный элемент (предельный ток 20,7А), а для проволоки 2,0 мм нужно использовать два параллельно включенных элемента (т.к. предельный ток всего 14,8А), всего в печи их будет 3 х 2 = 6.

По закону Ома рассчитываем необходимое сопротивление нагревателей. Для проволоки диаметром 2,5 мм R= 220 / 18,2 = 12,09 Ом, или 12,09 / 0,294 = 41,1 метра. Понадобится 3 таких нагревателя, примерно по 480 витков каждый, если наматывать на оправку 25 мм. Общий вес проволоки составит (41,1 х 3) / 25 = 4,9 кг.

Для проволоки 2,0 мм в каждой фазе два параллельных элемента, поэтому сопротивление каждого должно быть вдвое больше - 24,18 Ома. Длина каждого составит 24,18 / 0,459 = 52,7 метра. Каждый элемент будет иметь 610 витков при той же намотке. Общий вес всех 6 нагревательных элементов (52,7 х 6) / 40 = 7,9 кг.

Ничто не мешает нам разделить любую спираль на несколько кусков, которые затем соединить последовательно. Зачем? Во-первых, для удобства монтажа. Во-вторых, если выйдет из строя четверть нагревателя, поменять нужно будет только эту четверть. Точно так же никто не мешает засунуть в печь целиковую спираль. Тогда на дверь потребуется отдельная спираль, а у нас, в случае диаметра 2,5 мм, их всего три...

Расчет нагревателей-спиралей печи

Поставили одну фазу из проволоки 2,5 мм. Нагреватель разделили на 8 независимых коротких спиралей, все они соединены последовательно.

Когда мы поставим аналогичным образом все три фазы (см. рисунок ниже), выясняется следующее. Мы забыли про под! А он занимает 13,5% площади. Кроме того, спирали находятся в опасной электрической близости друг к другу. Особенно опасно соседство спиралей на левой стенке, где между ними напряжение 220 Вольт (фаза - ноль - фаза - ноль…). Если из-за чего-то соседние спирали левой стенки коснутся друг друга, не миновать большого короткого замыкания. Предлагаем самостоятельно оптимизировать расположение и подсоединение спиралей.

Расчет нагревателей-спиралей печи

Поставили все фазы.

Для случая, если мы решили воспользоваться двойкой, схема показана ниже. Каждый элемент в 52,7 метра длиной разделен на 4 последовательных спирали по 610 / 4 =152 витка (намотка на оправку 25 мм).

Расчет нагревателей-спиралей печи

Вариант расположения нагревателей в случае проволоки 2.0 мм.

Особенности намотки, установки, эксплуатации.

Проволока удобна тем, что ее можно намотать в спираль, а спираль потом растянуть так, как удобно. Считается, что диаметр навивки должен быть больше 6-8 диаметров проволоки. Оптимальным шагом между витками является 2-2,5 диаметра проволоки. Но наматывать надо виток к витку: растянуть спираль очень легко, сжать - гораздо труднее.

Толстая проволока может лопнуть во время намотки. Особенно обидно, если из 200 витков осталось намотать 5. Идеально проводить намотку на токарном станке на очень медленной скорости вращения оправки. Сплав Х23Ю5Т выпускается отпущенным и неотпущенным. Последний лопается особенно часто, поэтому, если у Вас есть выбор, обязательно приобретайте проволоку, отпущенную для намотки.

Сколько нужно витков? Не смотря на простоту вопроса, ответ неочевиден. Во-первых, точно не известен диаметр оправки и, следовательно, диаметр одного витка. Во-вторых, точно известно, что диаметр проволоки слегка гуляет по длине, поэтому сопротивление спирали будет тоже гулять. В-третьих, удельное сопротивление сплава конкретной варки может отличаться от справочного. На практике наматывают спираль на 5-10 витков больше, чем по расчету, затем измеряют ее сопротивление - ОЧЕНЬ ТОЧНЫМ прибором, которому можно верить, а не мыльницей. В частности, нужно убедиться, что при коротко-замкнутых щупах прибор показывает ноль, или число порядка 0,02 Ома, которое надо будет вычесть из измеренного значения. При измерении сопротивления спираль слегка растягивают, чтобы исключить влияние межвитковых замыканий. Лишние витки откусывают.

Лучше всего располагать спираль в печи на муллито-кремнеземистой трубке (МКР). Для диаметра навивки 25 мм подойдет трубка с наружным диаметром 20 мм, для диаметра навивки 35 мм - 30 - 32 мм.

Хорошо, если печь обогревается равномерно со пяти сторон (четыре стенки + под). На поде нужно концентрировать значительную мощность, например, 20 -25% всей расчетной мощности печи. Этим компенсируется подсос холодного воздуха извне.

Расчет нагревателей-спиралей печи  Расчет нагревателей-спиралей печи
   
Правильное расположение нагревателей по высоте и на поде делает нагрев более равномерным.

К сожалению, абсолютной равномерности нагрева достичь все равно нельзя. Приблизится к ней можно, используя вентиляционные системы с НИЖНИМ отбором воздуха из печи. (Пример такой печи).

Во время первого нагрева или даже первых двух-трех нагревов на поверхности проволоки образуется окалина. Надо не забыть удалить ее как с нагревателей (щеткой), так и с поверхности плит, кирпичей и т.д. Окалина особенно опасна, если спираль просто лежит на кирпичах: оксиды железа с алюмосиликатами при высокой температуре (нагреватель в одном милиметре!) образуют легкоплавкие составы, из-за которых нагреватель может перегореть.

реклама  

2

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

Еще одна статья про расчет спиралей. Источник: www.metotech.ru

Нагреватели. Методика и примеры расчета

Автор: Никонов Николай Владимирович

Статья “Нагреватели. Методика и примеры расчета” содержит обзор по расчету нагревателей электрических печей. Рассматриваются материалы, используемые для изготовления нагревателей, их свойства, достоинства и недостатки, условия работы (нихром, вольфрам, молибден
и др.), описана цель расчета нагревателей, приведены методики, описанные на конкретных примерах. Также статья содержит справочные таблицы и ссылки на ГОСТы, необходимые для проведения расчета нагревателей электрических печей.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1  Нагреватели. Материалы для изготовления нагревателя (нихромовой проволоки)
       1.1 Требования к нагревателям
       1.2 Материалы для изготовления

Глава 2 Расчет нагревателей электрических печей    
        2.1 Определение диаметра и длины нагревателей для заданной мощности печи (простой расчет)
        2.2 Определение диаметра и длины нагревателей нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной печи (подробный расчет)

Заключение

Список литературы

3

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ВВЕДЕНИЕ

Очень часто при желании сделать или отремонтировать нагреватель электропечи своими руками у человека появляется много вопросов. Например, какого диаметра взять проволоку, какова должна быть ее длина или какую мощность можно получить, используя проволоку или ленту с заданными параметрами и т.д. При правильном подходе к решению данного вопроса необходимо учитывать достаточно много параметров, например, силу тока, проходящего через нагреватель, рабочую температуру, тип электрической сети и другие.

В данной статье приводятся справочные данные о материалах, наиболее распространенных при изготовлении нагревателей электрических печей, а также методика и примеры их расчета (расчета нагревателей электрических печей).

4

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ГЛАВА 1. НАГРЕВАТЕЛИ

1.1. Требования к нагревателям

Непосредственно нагреватель – один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Поэтому нагреватели должны соответствовать ряду требований, которые приведены ниже.

Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):

➀ Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах (более подробно свойства жаростойкости и жаропорочности описаны на странице Жаропрочные сплавы и стали).

➁ Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Говоря простым языком, чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины и с меньшей площадью поперечного сечения. Не всегда в печи может быть размещен достаточно длинный нагреватель. Также стоит учитывать, что, чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы.

Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав нихром     Х20Н80, Х15Н60, железохромоалюминиевый сплав фехраль Х23Ю5Т, которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.

➂ Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

➃ Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

➄ Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.

5

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

1.2. Материалы для изготовления нагревателей

Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые). Марки и свойства данных сплавов рассмотрены в ГОСТ 10994-74 “Сплавы прецизионные. Марки” и в ГОСТ 12766.1-90 “Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия”.

Представителями хромоникелевых сплавов является нихром марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200°С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125°С), железохромоалюминиевых – фехраль марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350°С), Х23Ю5 (950- 1200°С), Х15Ю5 (750-1000 °С). Также существуют железо- хромоникелевые сплавы - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Перечисленные выше сплавы обладают хорошими свойствами жаропрочности и жаростойкости, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала.

Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении. Приведем сравнительную характеристику нихрома и фехрали.

[ НИХРОМ ]

Достоинства нихрома:
+ хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах;
+ сплав крипоустойчив (1);
+ имеет хорошие технологические свойства – пластичность и свариваемость;
+ хорошо обрабатывается;
+ не стареет, немагнитен.

Недостатки нихрома:
- высокая стоимость никеля - одного из основных компонентов сплава;
- более низкие рабочие температуры по сравнению с фехралью.
---------------------
1 Крипоустойчивость материала характеризуется его пределом ползучести, представляющим, собой напряжение, соответствующее при данной температуре определенному удлинению материала в условленное заданное время.
----------------------

[ ФЕХРАЛЬ ]

Достоинства фехрали:
+ более дешевый сплав по сравнению с нихромом, т.к. не содержит никель;
+ обладает лучшей по сравнению с нихромом жаростойкостью, напрмер, фехраль Х23Ю5Т может работать при температуре до 1400 °С (1400 °С - максимальная рабочая температура для нагревателя из проволоки Ø 6,0 мм и более; Ø 3,0 - 1350 °С; Ø 1,0 - 1225 °С; Ø 0,2 - 950 °С).

Недостатки фехрали:
- хрупкий и непрочный сплав, данные негативные свойства особенно сильно проявляются при температуре большей 1000 °С;
- т.к. фехраль имеет в своем составе железо, то данный сплав является магнитным и может ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре;
- имеет низкое сопротивление ползучести;
- взаимодействует с шамотной футеровкой и окислами железа;
- во время эксплуатации нагреватели из фехрали существенно удлиняются.


Также сравнение сплавов фехраль и нихром производится на странице Х20Н80 - описание.

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т.е. с добавлением 3% алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплавов, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромоалюминиевых сплавов недостатки. Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки. Максимальная рабочая температура сплава Х15Н60ЮЗ составляет 1200 °С.

Помимо перечисленных выше сплавов на основе никеля, хрома, железа, алюминия для изготовления нагревателей применяют и другие материалы: тугоплавкие металлы, а также неметаллы.

Среди неметаллов для изготовления нагревателей используют карборунд, дисилицид молибдена, уголь, графит. Нагреватели из карборунда и дисилицида молибдена используют в высокотемпературных печах. В печах с защитной атмосферой применяют угольные и графитовые нагреватели.

Среди тугоплавких материалов в качестве нагревателей могут использоваться вольфрам, молибден, тантал и ниобий. В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама.

Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700 °С в вакууме и до 2200 °С – в защитной атмосфере. Такая разница температур обусловлена испарением молибдена при температурах выше 1700 °С в вакууме. Вольфрамовые нагреватели могут работать в защитной среде до 3000 °С. В особых случаях применяют нагреватели из тантала и ниобия.

6

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Обычно в качестве исходных данных для расчета нагревателей электрических печей выступают мощность, которую должны обеспечивать нагреватели, максимальная температура, которая требуется для осуществления соответствующего технологического процесса (отпуска, закалки, спекания и т.д.) и размеры рабочего пространства электрической печи. Если мощность печи не задана, то ее можно определить по эмпирическому правилу, которое рассмотрено в гл. 2.2. В ходе расчета нагревателей требуется получить диаметр и длину (для проволоки) или площадь сечения и длину (для ленты), которые необходимы для изготовления нагревателей.

Также необходимо определить материал, из которого следует делать нагреватели (данный пункт в статье не рассматривается). В данной статье в качестве материала для нагревателей рассматривается хромоникелевый прецизионный сплав с высоким электрическим сопротивлением нихром Х20Н80, который является одним из самых популярных при изготовлении нагревательных элементов.

7

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

2.1. Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной мощности печи (простой расчет)

Пожалуй, наиболее простым вариантом расчета нагревателей из нихрома является выбор диаметра и длины нихромовой проволоки при заданной мощности нагревателя, питающего напряжения сети, а также температуры, которую будет иметь нагреватель. Несмотря на простоту расчета, в нем имеется одна особенность, на которую мы обратим внимание ниже.

Пример расчета диаметра и длины нагревательного элемента

Исходные данные:

устройство мощностью P = 800 Вт;
напряжение сети U = 220 В;
температура нагревателя 800 °C.
В качестве нагревательного элемента
используется нихромовая проволока
Х20Н80.

Расчет:
1. Сначала необходимо определить силу тока, которая будет проходить через нагревательный элемент (расчетная сила тока):

I = P / U = 800 / 220 = 3,63 А,

I - сила тока, проходящего через нагреватель [А],
P - мощность нагревателя [Вт],
U - напряжение на концах нагревателя [В].
       
2. Теперь нужно найти сопротивление нагревателя:

R = U / I = 220 / 3,63 = 61 Ом,

R - сопротивление нагревателя [Ом],
U - напряжение на концах нагревателя [В],
I - сила тока, проходящего через нагреватель [А].

3. Исходя из значения полученной в п. 1 силы тока, проходящего через нихромовый нагреватель, нужно выбрать диаметр проволоки. И этот момент является важным. Если, например, при силе тока в 6 А и температуре нагревателя 800 °C использовать нихромовую проволоку диаметром 0,4 мм, то она сгорит. Поэтому, рассчитав силу тока, необходимо выбрать из таблицы 1 соответствующее значение диаметра проволоки. Для силы тока 6 А выбираем диаметр проволоки 0,55 мм. В нашем случае для силы тока 3,63 А и температуры нагревателя 800 °C выбираем нихромовую проволоку с диаметром d = 0,35 мм и площадью поперечного сечения S = 0,096 мм2.

Общее правило выбора диаметра проволоки можно сформулировать следующим образом: необходимо выбрать проволоку, у которой допустимая сила тока не меньше, чем расчетная сила тока, проходящего через нагреватель.

С целью экономии материала нагревателя следует выбирать проволоку с ближайшей большей (чем расчетная) допустимой силой тока.

8

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ТАБЛИЦА 1

Допустимая сила тока, проходящего через нагреватель из нихромовой проволоки, соответствующая определенным температурам нагрева проволоки, подвешенной горизонтально в спокойном воздухе нормальной температуры.

Таблица для расчета диаметра проволоки нагревателя печи

Примечания:

1. Если нагреватели находятся внутри нагреваемой жидкости, то нагрузку (допустимую силу тока) можно увеличить в 1,1 - 1,5 раза;

2. При закрытом расположении нагревателей (например, в камерных электропечах) необходимо уменьшить нагрузки в 1,2 - 1,5 раза (меньший коэффициент берется для более толстой проволоки, больший - для тонкой).

9

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

4. Далее определим длину нихромовой
проволоки.

R = ρ • l / S,

R - электрическое сопротивление проводника (нагревателя) [Ом],
ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя [Ом • мм2 / м],
l - длина проводника (нагревателя) [м],
S - площадь поперечного сечения проводника (нагревателя) [мм2].

Таким образом, получим длину
нагревателя:

l = R • S / ρ = 61 • 0,096 / 1,11 = 5,3 м.
   
В данном примере в качестве нагревателя используется нихромовая проволока Ø 0,35 мм. В соответствии с ГОСТ 12766.1-90 “Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия” номинальное
значение удельного электрического сопротивления нихромовой проволоки марки Х20Н80 составляет

1,1 Ом • мм2 / м (ρ = 1,1 Ом • мм2 / м), см. табл. 2.


ТАБЛИЦА 2

Удельное электрическое сопротивление нихрома
(номинальное значение) - по ГОСТ 12766.1-90

Таблица 2 Удельное электрическое сопротивление нихрома

10

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

2.2 Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной печи (подробный расчет)

Расчет, приведенный в данном параграфе, является более сложным, чем представленный в 2.1. Здесь мы учтем дополнительные параметры нагревателей, попытаемся разобраться с вариантами подключения нагревателей к сети трехфазного тока. Расчет нагревателя будем проводить на примере электрической печи. Пусть исходными данными являются внутренние размеры печи.

1. Первое, что необходимо сделать - посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 490 мм, d = 350 мм и l = 350 мм (высота, ширина и глубина соответственно). Таким образом, получаем объем

V = h • d • l = 490 • 350 • 350 = = 60 • 106 мм3 = 60 л (мера объема).

2. Далее необходимо определить мощность, которую может выдавать печь. Мощность измеряется в Ваттах (Вт) и определяется по эмпирическому правилу: для электрической печи объемом 10 - 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 - 500 литров - 50 - 70 Вт/л. Возьмем для рассматриваемой печи удельную мощность 100 Вт/л. Таким образом мощность нагревателя электрической печи должна составлять

P = 100 • 60 = 6000 Вт = 6 КВт.

Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели изготовляют, обычно, однофазными. При больших мощностях для равномерной загрузки сети нагреватели делают трехфазными.

3. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель

I = P / U,

P - мощность нагревателя,
U - напряжение на нагревателе (между его концами), и сопротивление нагревателя

R = U / I.

Здесь может быть два варианта подключения к электрической сети:

I. к бытовой сети однофазного тока - тогда U = 220 В;
II. к промышленной сети трехфазного тока - U = 220 В (между нулевым проводом и фазой) или U = 380 В (между двумя любыми фазами).

Далее расчет будет проведен отдельно для однофазного и трехфазного подключения.

11

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

[Бытовая сеть однофазного тока]
               
I = P / U = 6000 / 220 = 27,3 А

- ток, проходящий через нагреватель. Затем необходимо определить сопротивление нагревателя печи.

R = U / I = 220 / 27,3 = 8,06 Ом.

Расчет спирали однофазной сети

Искомые значения диаметра проволоки и ее длины будут определены в п. 5 данного параграфа.

[Промышленная сеть трехфазного тока]

При данном типе подключения нагрузка распределяется равномерно на три фазы, т.е. по 6 / 3 = 2 КВт на фазу. Таким образом, нам требуется 3 нагревателя. Далее необходимо выбрать способ подключения непосредственно нагревателей (нагрузки).

Способов может быть два: “ЗВЕЗДА” или “ТРЕУГОЛЬНИК”. Стоит заметить, что в данной статье формулы для расчета силы тока (I) и сопротивления (R) для трехфазной сети записаны не в классическом виде. Это сделано для того, чтобы не усложнять изложение материала по расчету нагревателей электротехническими терминами и определениями (например, не упоминаются фазные и линейные напряжения и токи и соотношения между ними).

С классическим подходом и формулами расчета трехфазных цепей можно ознакомиться в специализированной литературе. В данной статье некоторые математические преобразования, проведенные над классическими формулами, скрыты от читателя, и на конечный результат это не оказывает никакого влияния.

При подключении типа “ЗВЕЗДА” нагреватель подключается между фазой и нулем (см. рис. 2). Соответственно,  напряжение на концах нагревателя будет U = 220 В. Ток, проходящий через нагреватель -

I = P / U = 2000 / 220 = 9,10 А.

Сопротивление одного нагревателя -

R = U / I = 220 / 9,10 = 24,2 Ом.

Расчет спирали трехфазной сети - Звезда

При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” нагреватель подключается между двумя фазами (см. рис. 3). Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U = 380 В. Ток, проходящий через нагреватель -

I = P / U = 2000 / 380 = 5,26 А.

Сопротивление одного нагревателя -

R = U / I = 380/ 5,26 = 72,2 Ом.

Расчет спирали трехфазной сети - Треугольник

12

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

4. После определения сопротивления нагревателя при соответствующем подключении к электрической сети необходимо подобрать диаметр и длину проволоки.

При определении диаметра и длины необходимо анализировать удельную поверхностную мощность нагревателя, т.е. мощность, которая выделяется с единицы площади.

Поверхностная мощность нагревателя зависит от температуры нагреваемого материала и от конструктивного выполнения нагревателей.

Приведем пример.

Из предыдущих пунктов расчета (см. п.3 данного параграфа) нам известно сопротивление нагревателя. Для 60 литровой печи при однофазном подключении оно составляет R = 8,06 Ом. В качестве примера возьмем нихромовую проволоку Х20Н80 диаметром 1 мм. Тогда, чтобы получить требуемое сопротивление, необходимо l = R / ρ = 8,06 / 1,4 = 5,7 м нихромовой проволоки, где ρ - номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки по ГОСТ 12766.1-90, [Ом/м].

Масса данного отрезка проволоки из нихрома составит

m = l • μ = 5,7 • 0,007 = 0,0399 кг = 40 г,

μ - масса 1 м проволоки.

Теперь необходимо определить площадь поверхности отрезка проволоки длиной 5,7 м.

S = l • π • d = 570 • 3,14 • 0,1 = 179 см2,

l – длина проволоки [см],
d – диаметр проволоки [см].

Таким образом, с площади 179 см2 должно выделяться 6 кВт (см. 2.2 п. 2). Решая простую пропорцию, получаем, что с 1 см2 выделяется мощность 33,5 Вт.

β = P / S = 6000 / 179 = 33,5 Вт/см2,

β - поверхностная мощность нагревателя.

Полученная поверхностная мощность слишком велика. Нагреватель расплавится, если нагреть его до температуры, которая обеспечила бы полученное значение поверхностной мощности. Данная температура будет выше температуры плавления материала нагревателя.

Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя. В п. 5 данного параграфа будет приведен пример с правильным подбором диаметра.

Для каждого материала в зависимости от требуемой температуры нагрева определено допустимое значение поверхностной мощности. Оно может определяться с помощью специальных таблиц или графиков. В данных расчетах используются таблицы. Стоит отметить, что обычно при расчетах нагревателей рассматривают температуру печи (Tпечи). Tпечи – условная температура, средняя между температурами стен и нагревателей.

Она ограничивается допустимой рабочей температурой нагревателей и должна быть по крайней мере на 50 °С меньше последней. С другой стороны, Tпечи не должна сильно превышать заданную температуру нагрева изделия, т.к. это может привести к его перегреву в случае несвоевременного отключения печи.

Для высокотемпературных печей (при температуре более 700 – 800 °С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м2, равна

βдоп = βэф • α,

βэф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт/м2],
α – коэффициент эффективности излучения.
(βэф выбирается по табл. 3, α - по табл. 4.)

Если печь низкотемпературная (температура менее 200 – 300 °С), то допустимую поверхностную мощность можно считать равной

(4 - 6) • 10 Вт/м2.

13

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ТАБЛИЦА 3

Эффективная удельная поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды

удельная поверхностная мощность нагревателей

14

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ТАБЛИЦА 4

Значение коэффициента эффективности излучения

Значение коэффициента эффективности излучения

Предположим, что температура нагревателя 1000 °С, и нам требуется нагреть заготовку до температуры 700 °С. Тогда по таблице 3 подбираем βэф = 8,05 Вт/см2, по таблице 4 - α = 0,2. Далее рассчитаем допустимую поверхностную мощность нагревателя

βдоп = βэф • α = 8,05 • 0,2 = 1,61 Вт/см2=
= 1,61 • 104 Вт/м2.

5. После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных
нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину.

Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле:

Диаметр проволоки

d - диаметр проволоки,2[м];
P - мощность нагревателя, [Вт];
U - напряжение на концах нагревателя, [В];
βдоп - допустимая поверхностная мощность нагревателя, [Вт/м2];
ρt - удельное сопротивление материала нагревателя при заданной температуре [Ом•м]

ρt = ρ20 • k,

ρ20 =удельное⋅ электрическое сопротивление материала нагревателя при 20°С, [Ом•м]
k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры (по ГОСТ 12766.1-90).

Длину проволоки можно определить по следующей формуле:

Длина проволоки

l - длина проволоки, [м].


Подберем диаметр и длину проволоки из нихрома Х20Н80.

Удельное электрическое сопротивление материала нагревателя составляет:

ρt = ρ20 • k, = 1,13 • 10-6 • 1,025 = 1,15 • 10-6 Ом•м

15

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

[Бытовая сеть однофазного тока]

Для 60 литровой печи, подключенной к бытовой сети однофазного тока,
из предыдущих этапов расчета известно, что мощность печи составляет P = 6000 Вт (см. 2.2 п. 23), напряжение на концах нагревателя U = 220 В (2см. 2.2 п. 3), допустимая поверхностная мощность нагревателя βдоп = 1,6 • 104 Вт/м2 (см. 2.2 п. 4).
Тогда получаем:

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-03.gif

Полученный размер необходимо округлить до ближайшего большего стандартного. Стандартные размеры для проволоки из нихрома и фехрали можно найти в ГОСТ 12766.1-90, Приложение 2, Таблица 8.

В данном случае ближайшим большим стандартным размером является Ø 2,8мм. Диаметр нагревателя d = 2,8мм.

Теперь расчитаем длину нагревателя.

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-04.gif

Длина нагревателя l = 43 м.
Также иногда требуется определить массу необходимого количества проволоки.

m = l • μ,

m - масса отрезка проволоки, [кг];
l - длина проволоки, [м];
μ - удельная масса (масса 1 метра проволоки), [кг/м].

В нашем случае масса нагревателя
m = l • μ = 43 • 0,052 ≈ 2,3 кг.

Данный расчет дает минимальный диаметр проволоки, при котором она может быть использована в качестве нагревателя при заданных условиях. С точки зрения экономии материала такой расчет является оптимальным. При этом также может быть использована проволока большего диаметра, но тогда ее количество возрастет.


Проверка

Результаты расчета могут быть проверены следующим способом. Был получен диаметр проволоки 2,8 мм. Тогда нужная нам длина составит

l = R / (ρ • k) =8,06 / (0,179 • 1,025) ≈ 43 м,

l - длина проволоки, [м];
R - сопротивление нагревателя, [Ом];
ρ - номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки, [Ом/м];
k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры. Данное значение совпадает со значением, полученным в результате другого расчета.

Теперь необходимо проверить, не превысит ли поверхностная мощность выбранного нами нагревателя допустимую поверхностную мощность, которая была найдена в 2.2 п. 4.

β = P / S = 6000 / (3,14 • 4300 • 0,28) ≈ 1,59 Вт/см2.

Полученное значение β ≈ 1,59 Вт/см2
не превышает βдоп = 1,6 Вт/см2.


Итоги       

Таким образом, для нагревателя потребуется 43 метра нихромовой проволоки Х20Н80 Ø 2,8 мм, это составляет 2,3 кг.

16

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

[Промышленная сеть трехфазного тока]
   
Также можно найти диаметр и длину проволоки, необходимой для изготовления нагревателей печи, подключенной к сети трехфазного тока.                    
   
Как описано в 2.2 п. 3, на каждый из трех нагревателей приходится по 2 КВт мощности. Найдем диаметр, длину и массу одного нагревателя.

Подключение типа “ЗВЕЗДА”
(см. рис. 2)

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-05.gif

В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 1,4 мм. Диаметр нагревателя d = 1,4 мм.

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-06.gif

Длина одного нагревателя l = 30 м. Масса одного нагревателя

m = l • μ = 30 • 0,013 = 0,39 кг.

Проверка
Был получен диаметр проволоки 1,4 мм. Тогда нужная нам длина составит

l = R / (ρ • k) = 24,2 / (0,714 • 1,025) ≈ 33 м.

Значение длины, полученное в результате проверки, практически совпадает со значением длины, полученным в результате расчета нагревателей.

Поверхностная мощность составит

β = P / S = 2000 / (3,14 • 3000 • 0,14) = 1,52 Вт/см2,

она не превышает допустимую.

Итоги
Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ЗВЕЗДА”, потребуется

l = 3 30 = 90 м проволоки,

что составляет

m = 3 • 0,39 ≈ 1,2 кг.

17

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

Подключение типа “ТРЕУГОЛЬНИК”
(см. рис. 3)

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-07.gif

В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 0,95 мм. Диаметр нагревателя d = 0,95 мм.

http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/raschet-nagrevateley/formula-08.gif

Длина одного нагревателя l = 43 м.
Масса одного нагревателя

m = l • μ = 43 • 0,006 = 0,258 кг.


Проверка
Был получен диаметр проволоки 0,95 мм. Тогда нужная нам длина составит

l = R / (ρ • k) = 72,2 / (1,55 • 1,025) ≈ 45 м.

Значение длины, полученное в результате проверки, практически совпадает со значением длины, полученным в результате расчета нагревателей.

Поверхностная мощность составит

β = P / S = 2000 / (3,14 • 4300 • 0,095) = 1,56 Вт/см2,

она не превышает допустимую.

Итоги
Для трех нагревателей, подключенных
по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, потребуется

l = 3 • 43 = 129 м проволоки,

что составляет

m = 3 • 0,258 ≈ 0,8 кг.

18

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

Если сравнить 2 рассмотренных выше варианта подключения нагревателей к сети трехфазного тока, то можно заметить, что для “ЗВЕЗДЫ” требуется проволока большего диаметра, чем для “ТРЕУГОЛЬНИКА” (1,4 мм против 0,95 мм), чтобы обеспечить заданную мощность печи 6 кВт. При этом требуемая длина нихромовой проволоки при подключении по схеме “ЗВЕЗДА” меньше длины проволоки при подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (90 м против 129 м), а требуемая масса, наоборот, больше (1,2 кг против 0,8 кг).

Для эксплуатации рассчитанной нихромовой проволоки из нее необходимо сделать спираль. Диаметр спирали нагревателя принимают равным:

D = (4÷6) • d - для хромоалюминиевых сплавов,

D = (7÷10) • d - для хромоникелевых сплавов,

D - диаметр спирали [мм],
d - диаметр проволоки [мм].

Для устранения местных перегревов спираль необходимо растянуть, чтобы расстояние между витками было в 1,5-2 раза больше диаметра проволоки.

реклама  

19

Re: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье были рассмотрены различные аспекты, касающиеся расчета нагревателей электрических печей - материалы, примеры расчета с необходимыми справочными данными, ссылками на стандарты, иллюстрациями.

В примерах были рассмотрены методики расчета только проволочных нагревателей. Помимо проволоки из прецизионных сплавов для изготовления нагревателей может применяться и лента.

Расчет нагревателей не ограничивается выбором их размеров. Также необходимо определить материал, из которого должен быть сделан нагреватель, тип нагревателя (проволочный или ленточный), тип расположения нагревателей и другие особенности. Если нагреватель изготавливается в виде спирали, то необходимо определить количество витков и шаг между ними.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блажкин А.Т., Бессекерский В.А., Фролов Б.В. и др. Под ред. А.Т. Блажкина. “Общая электротехника”.
2. Дьяков В.И. “Типовые расчеты по электрооборудованию”.
3. Жуков Л.Л., Племянникова И.М., Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. “Сплавы для нагревателей”.
4. Свенчанский А.Д. “Электрические промышленные печи. Часть первая. Электрические печи сопротивления”
5. Сокунов Б.А., Гробова Л.С. “Электротермические установки (электрические печи сопротивления)”.
6. Фельдман И.А., Гутман М.Б., Рубин Г.К., Шадрич Н.И. “Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления”.

Оригинал статьи в формате pdf:
http://forum.goncharnoe-delo.ru/img/ras … nagrev.pdf