Печь электросопротивления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В современной  лабораторной металлургической практике используются все известные методы нагрева:

- прямой нагрев  электрическим током;

- косвенный  нагрев в электрических печах  сопротивления;

- индукционный  нагрев;

- плазменный  нагрев;

- электролучевой нагрев;

- лазерный нагрев;

- нагрев лучами  света (солнечные печи);

Но наиболее широко в лабораторной практике применяются  прямой нагрев электрическим током  и, особенно, косвенный нагрев в электрических  печах сопротивления. Электрические  печи сопротивления обладают рядом весьма существенных преимуществ: их конструкция - проста; температуру в печи легко регулировать и поддерживать; легко автоматизировать и программировать нагрев; можно создать равномерное распределение температуры в большом объеме, а время работы при заданной температуре можно изменять в широких пределах.

Электрические печи сопротивления широко используются в производстве и научно-исследовательской  работе для нагревания материалов до температуры 1700 °С. Выпускаемые серийно лабораторные и промышленные электрические нагревательные печи обеспечивают выполнение разнообразных технологических операций, однако в ряде случаев, особенно при постановке научного эксперимента, их технические характеристики такие как, потребляемая мощность, производительность, габаритные размеры и т.п., превышают необходимые для экспериментальной работы потребности. С другой стороны, многообразие решаемых исследователями задач требует большой номенклатуры нагревательных устройств с рабочими параметрами, отвечающими конкретным условиям эксперимента, что не всегда соответствует характеристикам стандартных лабораторных нагревательных печей.

В этой связи, в  научных подразделениях электрические  нагревательные устройства изготавливают самостоятельно с использованием теплотехнических и электронагревательных материалов заводского производства. Инженер-исследователь, проектируя нагревательную печь, должен знать основные принципы теплового расчета, иметь навыки определения необходимой потребляемой мощности печи, грамотно выбрать материал теплоизолирующей футеровки, надежно подобрать материал нагревательных элементов и установить их геометрические размеры, провести конструкторскую работу по общей компоновке печи и выполнить рабочие чертежи для изготовления нагревательной печи в производственных мастерских.

1 ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ПЕЧЕЙ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

 

  В данном курсовом проекте рассматривается камерный тип печи. Камерная печь имеет кубическую форму рабочего пространства и двухслойную или однослойную футеровку корпуса. Загрузочные окна закрываются дверцами с однослойной или двухслойной футеровкой.

Если печь сопротивления  проектируется с дверцей, то нагревательные элементы размещают по всей заданной длине рабочего пространства печи.

В качестве футеровочных материалов нагревательных печей используются огнеупоры и теплоизоляторы.

Огнеупорные материалы  предназначены для кладки горячего слоя печи и размещения в них нагревательных элементов. Они должны иметь высокую  механическую прочность, особенно при  повышенных температурах, низкую теплопроводность, хорошую термостойкость и химическую стойкость.

Теплоизоляционные материалы предназначены для  формирования второго, после огнеупора, слоя футеровки и обеспечивают максимальный градиент температурного поля при минимальной  толщине слоя. Они должны иметь как можно низкую теплопроводность при умеренной прочности, теплостойкости и термостойкости.

Корпус печи делается из жести. Для этой цели используют жесть из Ст. 3 толщиной 1-1,5 мм. Как правило, корпус печи изготавливают разборным.

Расчет электрических  печей сопротивления делится  на два этапа. На первом из них производится тепловой расчет, и определяются габаритные размеры печи, на втором – выполняется расчет и выбор нагревательного элемента, схемы их соединения и электрического питания.

1.1 Теплофизические основы расчета печей электросопротивления

 

Целью теплового расчета является определение  тепловых потерь через футеровку, мощности и геометрических размеров печи.

При проведении теплового расчета, исходя из законов  теплопередачи, рассчитываются размеры слоев футеровки (огнеупора и теплоизоляции). В качестве исходных данных при расчете используют теплофизические свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов, размеры рабочей камеры печи, а также требуемых температуры в рабочей зоне и на внешней поверхности печи и температуру окружающей среды.

Процесс теплопередачи происходит в том случае, когда между телами существует разность температур. Передача тепла протекает во времени и  пространстве и характеризуется  температурным полем.

Изменение температурного поля во времени или пространстве является результатом передачи тепла от одной  части объекта к другой. Передача тепла происходит, как отмечено выше, под действием разности температур. Количество тепла, которое при этом передается в единицу времени, называется тепловым потоком. При переносе тепла всегда можно выделить поверхность, через которую происходит этот перенос. Величина теплового потока, отнесенная к единице площади, выражает плотность теплового потока, Вт/м2:

 

q = Q / F,                                                                        (1.1)

 

где

q

- плотность  теплового потока;

 

Q

- тепловой поток,  Вт;

 

F

- площадь поверхности,  м2.


 

Различают три  основных способа передачи тепла: конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением.

Конвекция- это передача тепла в системе твердое тело - газ. Естественной конвекцией называется такая теплопередача, при которой нагретая поверхность отдает тепло газовой среде без ее принудительного перемешивания. Естественная конвективная теплопередача в основном определяет рассеивание тепла наружной поверхностью футеровки печи. В этом случае плотность теплового потока q, зависит от температуры наружной поверхности футеровки tнар, (0С), температуры окружающего газа to, (0С) и коэффициента теплоотдачи a (формула Ньютона):

 

                  q = a(tнар-t0),                                                                 (1.2)

 

где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 0С)

 

Теплопроводность - это передача тепла от одних слоев тела к другим. Для случая теплообмена, когда тепло распространяется теплопроводностью, плотность теплового потока для одномерного температурного поля выражается по закону Фурье:

 

q = - l(¶t/¶x),                                                   (1.3)

 

где   l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

 ¶t/¶x - градиент температуры, показывающий падение температуры 

 вдоль оси x, К/м.

 

Знак "минус" в выражении  показывает, что тепло распространяется в сторону убывания температуры.

 Так как уравнение теплопроводности имеет бесконечное множество решений, то для нахождения конкретных решений, описывающих вполне определенные условия протекания процессов нагрева или охлаждения твердых тел, необходимо введение некоторых дополнительных уравнений, выражающих начальные условия процесса (распределение температур в теле в начальный момент времени) и граничные условия, описывающие теплообмен на границах тела.

В общем случае начальные  условия формулируются в виде уравнения:

 

tн = f(x, y, z),                                                    (1.4)

 

где tн - температура тела в точке с координатами x, y, z в начальный             

       момент времени.

 

Граничные условия  разделяются на три вида:

   а) Граничные условия  I рода задают закон изменения  температуры поверхности тела tп во времени

tп = f(t).

Распространенным  частным случаем граничных условий I рода является мгновенное достижение определенной температуры. В дальнейшем температура остается неизменной tп = const.

   б) Граничные  условия II рода задают закон  изменения во времени плотности теплового потока qп, проходящего через поверхность нагреваемого или охлаждаемого тела

qп = f(t).

В частном случае тепловой поток не изменяется во времени, qп = const.

   в) Граничные  условия III рода формулируют как  закон теплообмена твердой поверхности (с неизвестной температурой) со средой, температура которой задана. Часто температуру среды считают постоянной t0 = const, что соответствует нагреву в печах с постоянной температурой или охлаждению на воздухе.

В качестве закона теплообмена принимают обычно закон Ньютона, выражающий плотность теплового потока, подводимого (при нагреве) или отводимого (при охлаждении) от твердой поверхности. Эта плотность теплового потока, в соответствии с законом сохранения энергии, должна быть равна количеству тепла, отводимого в единицу времени через единицу площади внутрь твердого тела по закону Фурье.

Тепловое  излучение - это передача тепла путем распространения электромагнитных волн различной длины. При взаимодействии теплового (радиационного, лучистого) потока с твердым телом он, в зависимости от свойств тела, частично пропускается, отражается или поглощается с преобразованием лучистой энергии в степень нагретости тела. Радиационное излучение играет существенную роль в области высокотемпературного теплообмена, когда температура излучающей поверхности превышает температуру красного каления, а передача тепла естественной конвекцией не велика.

2 ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА НАГРЕВАТЕЛЯ

 

2.1 Типы нагревателей и методы расчетов

 

Целью расчета  является определение типа, геометрических размеров, способа размещения, схемы включения и питания нагревательных элементов, обеспечивающих заданный температурный режим работы печи.

В нагревательных электрических  печах сопротивления используются нагревательные элементы из металлических  и неметаллических материалов.

Металлические нагреватели  в виде проволоки или ленты  применяются для работы в любых  газовых средах до температуры 1250 0С и представляют собой сплавы на основе никеля и хрома или никеля, хрома и железа, а также безникелевые сплавы с добавкой алюминия. Нагревательные элементы размещаются на поверхности огнеупора открытым способом с фиксацией элемента с помощью крючков, на керамических ребристых полочках или в пазах футеровки. В зависимости от рассчитанной длины нагревателя и площади поверхности, на которой монтируются нагревательные элементы, они могут иметь линейную, спиральную или зигзагообразную форму укладки.

Неметаллические нагреватели  изготавливаются из карборунда ( SiC ) или дисилицида молибдена (MoSi2) и имеют срок службы 1000... 1200 ч при 1400 0С и 3000...3600 ч при 1300 0С.

При расчете нагревателей, когда передача тепла от источника  нагрева к нагреваемому материалу  происходит в основном за счет излучения, вводят понятие об "идеальном  нагревателе". Под идеальным нагревателем подразумевают такой непрерывный (сплошной) источник излучения, который со всех сторон окружает нагреваемый материал и обменивается с ним лучистой энергией. Для лабораторных печей с небольшой площадью поверхности материала, поглощающего лучистый поток, по отношению к площади радиационного источника и с учетом нагревания материала с максимальным коэффициентом поглощения e = 1 :

 

             

Wи = 5,7*10-11(Тн-Тм) ,  

                                                    (2.1)

 

где wи - удельная поверхностная мощность идеального нагревателя,

        кВт/м2, 

Тн и Тм - температура нагревателя и нагреваемого материала, К.

 

Реальный нагреватель, как правило, не имеет сплошной и  замкнутой вокруг нагреваемого тела конфигурации. Кроме того, его излучение частично экранируется элементами крепления, футеровкой и самим нагревателем. Все это приводит к тому, что мощность реального нагревателя W всегда меньше мощности идеального нагревателя:

 

W = IWи,                                                        (2.2)

 

Где  W - удельная поверхностная мощность реального нагревателя            

       кВт/м2;

I - коэффициент эффективности излучения.

 

Для металлических  нагревателей коэффициент эффективности  излучения зависит от вида, формы  и способа размещения нагревателя в рабочей зоне печи.

Расчет нагревателей начинают, прежде всего, с выбора материала нагревательного элемента. Зная предельную температуру нагрева образцов tм и имея в виду, что tн = tи + 100 подбирают материал нагревателя так, чтобы его предельная температура использования была выше или равна tн.

2.2 Схемы электропитания  и включения нагревателей

 

В дальнейшем расчетная  часть проекта зависит от сетевой  схемы электропитания и схемы  включения нагревательных элементов  в эту сеть.

Научные лаборатории имеют, как правило, трехфазную электрическую подводку с нулевым проводом (нейтралью) и линейным напряжением 220 или 380 В. Для обеспечения электробезопасной работы с оборудованием в каждой лаборатории смонтирован земляной контур, к которому присоединяются (заземляются) все потребители электроэнергии.

В зависимости  от мощности печи применяют линейную, однофазную, треугольник и звезда схемы включения нагревателей в трехфазную сеть.

При линейной схеме  нагреватель присоединяется к двум линейным проводам источника электроэнергии с линейным напряжением Uл. Величина линейного тока Iл, проходящего через нагреватель с сопротивлением R, полная мощность Р и линейная мощность Рл равны:

 

Pл = P = Uл *Uл/R                                                  (2.3)

где   Uл – Линейное напряжение, В;

R – Сопротивление, Ом;

  Рл – фазное мощность, Вт;

  Iл – линейный ток, А.

При однофазном включении нагреватель присоединяется к нейтрали и одному из линейных проводов и находится под фазным напряжением Uф, при фазном токе Iф и фазной мощности Рф равными:

Uф = Uл/                                                      (2.4)

 Iф = Iл = Uф/R ,                                                 (2.5)

Pф = Р = IфUф,                                                 (2.6)

При схеме треугольник  и симметричной нагрузке с сопротивлением нагревателя в фазе R соответствующие  параметры равны:

             Uф = U,                                                          (2.7)

   Iф = Uф/R,                                                         (2.8)

                                                         Iл = Iф

,                                                      (2,9)

 Pф = UфIф ,                                                      (2.10)

P = 3Pф ,                                                        (2.11)

При симметричной звезде схема характеризуется следующими соотношениями:

Uф = Uл/ ,                                               (2.12)

Iф = Uф/R ,                                                   (2.13)  

                                                            Iл = Iф,                                                        (2.14)

 Pф = UфIф ,                                                                                 (2.15)

P = 3*Pф                                                    (2.16)

Маломощные  электрические печи (до 5 кВт) подключают к сети по двухпроводной схеме, т.к. такая не очень большая нагрузка обычно не приводит к существенной перегрузке одной из фаз общей трехфазной сети. Более мощные потребители, во-избежании неравномерности распределения нагрузим по фазам (перекоса, асимметрии фаз), запитываются по трехпроводной схеме.

Регулирование температуры обеспечивается применением  регулировочных трансформаторов, изменяющих рабочее напряжение и силу тока нагревательных элементов. Выбор типа трансформатора определяется схемой включения нагревателей и предельными значениями напряжения и тока нагрузки.

В связи с  тем, что неметаллические нагреватели  имеют низкую термостойкость и чувствительны к быстрому нагреву, вывод печи на рабочий изотермический режим должен быть плавным, с постепенным повышением напряжения и контролем параметров питания.

Подключение печи сопротивления с регулировочным трансформатором к общей сети осуществляется через электрический автомат включения-выключения, который, кроме того, защищает сеть от перегрузки или короткого замыкания, автоматически отключает потребитель, если ток превысит максимально допустимый. Однофазные автоматы устанавливаются на одном линейном проводе сети, трехфазные - имеют трехпроводный вход-выход и могут подключаться к одно- и трехфазной подводке.

 

3 РАСЧЕТ КАМЕРНОЙ ПЕЧИ

 

Выбираем способ перекрытия загрузочного окна и вводим новые обозначения параметров.

Выбираем материал огнеупора, предельная температура использования которого Т6 больше или равна Т1. Выбираем материал теплоизоляции с таким расчетом, чтобы его предельная температура использования Т7 была близка к Т6. Исходя из конструктивных методом, задаемся толщиной огнеупора.

3.1 Расчет футеровки  корпуса

   При выборе материалов  для футеровки корпуса и дверцы  в данной работе учитывались  следующие критерии: температура  на наружной поверхности должна  соответствовать требованиям (в  случае данного проекта +70 °С), толщина корпуса должна была быть по возможности минимальна; вес и стоимость также должны были быть оптимальны.

В качестве первого слоя футеровки (огнеупора) был выбран наименее теплопроводный для диапазона данной рабочей  температуры, термостойкий и дешевый материал –шамот легковес А.

    Шамот является самым  распространенным и дешевым огнеупором  и в совокупности с каолиновой  ватой при рабочей температуре в 1300 градусов является одним из наилучших огнеупором.  При выборе теплоизоляции было рассмотрено несколько вариантов (каолиновая и шлаковая минеральная вата). Однако при столь высокой рабочей температуре 1100 градусов выбор каолиновой ваты является наиболее оптимальным. При этом она в два раза легче шлаковой минеральной ваты. Расчет показывает, что толщина огнеупора и теплоизоляции соответственно будут равны 0,070 м и 0.095 м.

 

Таблица 2 – Материал для футеровки корпуса

Материал

Предельная температура использования, ºС

Коэффициент теплопроводности,

l=a+bt

Плотность,       кг/ м3

a

b

Шамот – легковес А

1300

0,314

-0,000241

2500

Каолиновая вата

1100

0,03

0,0002

100


3.2Расчет дверцы

 

При расчете  дверцы температуру поверхности  возьмем  равную  температуре  поверхности  печи (в данном  случае температура на наружной поверхности  дверцы возьмем не более 70 °С), однако, размеры остаются главным критерием подбора. Также учтем, что желательно использование меньшего количества огнеупорного материала. Будем использовать в дверце те же огнеупор и теплоизоляцию, что и при футеровке корпуса. Оптимальная толщина огнеупора 0,050 м; толщина теплоизоляции 0,121 м. При данных размерах  температура на поверхности дверцы будет примерно 70 оС.

Таблица 3 – Тепловой расчёт

Футеровка Корпуса

Футеровка дверцы

Огнеупор

Теплоизоляция

Огнеупор

Теплоизоляция

а1: 0,314

a2: 0,03

a3: 0,314

a4: 0,03

b1: -0,00024

b2: 0,0002

b3: -0,00024

b4: 0,0002

x1: 0,07546

x2: 0,10496

x3: 0,06383

x4: 0,1146

h1: 0,07

h2: 0,096

h3: 0,05

h4: 0,121

T6: 1300, °С

T7: 1100, °С

T8: 1300, °С

T9:1100, °С

F0: 2,2434

Ft: 3,26968

F4: 0,25

F4: 0,25

  

F1: 1,85

F2: 2,6368

F3: 3,90255

T4: 70, °С

T5: 776,09, °С

T2: 679,62, °С

T3: 70, °С

y2: 13,3745

y1: 13,3745

q2: 668,83334

Q2: 167,20833, Вт

q1: 668,725

Q1: 1799,03139 Bт

Q3: 3932,47945, Вт

Q: 5898,71918, Вт

P: 5,89872, кВт

L1: 0,5

L2: 0,5

L3: 0,8

L4: 0,8

T0: 20, °С

T1: 1300, °С


 

где   hi – толщина слоев футеровки;

ai и bi – составляющие коэффициента теплопроводности;

Т0,1 – температура окружающей среды и максимальная температура          

нагревателя Т1 = Тр+100, °С;

Т2,4 – температура на границе раздела огнеупор-теплоизоляция, °С;

Т3,5 – температура на поверхности печи, °С ;

Т6,7,8,9  – предельная температура использования слоев футеровки, °С;

L1, L2, L3 – размеры рабочей камеры;

Р – рабочая мощность печи;

qi – плотность теплового потока;

Qi – тепловой поток, Вт;

Fi – площадь поверхности;

xi – коэффициент теплопроводности слоев футеровки;

yi – коэффициент теплоотдачи.

3.3 Выбор нагревательного  элемента

 

При выборе нагревателя  в данной работе в первую очередь  будем руководствоваться рабочей температурой внутри печи (температурой нагрева образцов). т.к. в нашем случае она равна 1100 °С, исходя из характеристик, выбираем нихром Х20Н80 нагреватель, т.к. только этот тип подходит по предельной температуре использования

 

Таблица 4 – Материал для нагревательного элемента

Материал нагревателя

t(пр), °С

I, Ом*м

j, Ом*м/К

Карборунд (силит) SiC

1450

0.8*10-3

1.9*10-3


           

Зная мощность печи необходимо вычислить размеры  нагревателя. Самый оптимальный вариант – проволочный, зигзагообразный в пазу , с шагом t=2.5dн.

Для удобства возьмем  проволочный тип нагревателя  спиральной формы и открытого   типа размещения. Электрическая схема соединения нагревателей может быть различной. Однако выбранная схема должна соответствовать минимально возможной мощности и иметь разумные напряжение и силу тока. Для нашего нагревателя лучшим выбором будет подключение нагревателей в однофазную схему. При заданных параметрах и рассчитанном напряжении мощность составит 2,495 кВт. По формулам:       

p = i +jtн,                                                        (3.1)

                 dн = 7,4*p*Pф2 /Uф2W,                                         (3.2)

          Lн = 4,3*10-2*Uф2Pф / p*W2,                                       (3.3)

                    T = 2dн,                                                        (3.4)

                       D = 10*dн,                                                       (3.5)

где  dн – диаметр проводника, м;

Lн – длина проводника, м;

t – шаг зигзага, м.

Значения Pф, Uф, W берем из таблицы расчетов нагревателя.

Pф = 5.899 кВт Uф = 39.073 В , W = 80.631;

Получили, что dн = 0,012 м,  L = 0,250 м,  t = 0.045 м, D=0,018 м.

3.4 Выбор регулировочного трансформатора

 

 Так как нагреватели работают при напряжениях, не равных напряжению в электросети, то их подключат через регулировочные трансформаторы. Трансформаторы имеют свои характеристики, по которым необходимо выбрать трансформатор, соответствующий данным требованиям. Вначале необходимо определить количество подключаемых фаз. В нашем случае оно равно одной. Также расчеты показали, что

P = 5.899 кВт, максимальный ток нагрузки 13.024 А и напряжение 320 В. Так как из предложенных типов однофазных трансформаторов выберем РНО.

 

Таблица 5 – Выбор регулировочного трансформатора

Тип трансформатора

Число фаз

Напряжение  сети, В

Мощность, КВт

Регулируемое  напряжение, В

Максимальный  ток нагрузки, А

TC

3

127/220/380

10/30

127/220/380

30/40/60/100




3.5 Выбор автоматического выключателя

 

Выбор электрического автомата очевиден, т.к. из предложенных трехфазных автоматов с максимальным током нагрузки, находящемся в интервале от 5 до 100 А и напряжением 380 В, есть только один – АE - 2016.

Таблица 6 – Выбор автоматического выключателя

Тип

Число фаз

Напряжение  в сети, В

Максимальный ток нагрузки, А

АE - 2016

3

380

5, 10, 12, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100


3.6 Выбор термопары

 

Основными характеристиками термопар являются интервал температур и атмосфера, в которых возможна правильная работа термопары. В рассчитываемой печи измерение температуры производится в атмосфере воздуха и температуре не выше 1300 оС. Этим условиям удовлетворяют хромель-алюмелевые термопары, способные работать в окислительных, инертных атмосферах и в вакууме в интервале температур до 1400 оС.

Печь электросопротивления