10.5. Расчет нагревательных элементов электропечей.
При расчете нагревателей электропечей необходимо выбрать тип нагревателя и материал, определить размеры нагревателя – сечение и длину – и разместить их внутри печи.
Работа каждого материала в нагревательных элементах может быть охарактеризована двумя температурами – рекомендуемой рабочей и максимально допустимой (приложение 14).
Максимально допустимая температура соответствует той температурной границе, за которой начинается интенсивное окисление или распыление материала и, следовательно, резкое сокращение срока службы.
Рекомендуемая рабочая температура лежит на 100150 оС ниже максимально допустимой. В области, ограниченной рекомендуемой температурой, срок службы нагревателя достаточно велик, для металлических сплавов составляет 12.000 – 15.000 часов. При таких температурах можно применять малые сечения нагревателей. Естественно, что нагреватели следует рассчитывать таким образом, чтобы их расчетная температура не превосходила рекомендуемой.
Во многих случаях, однако, приходится превышать рекомендуемые температуры, когда переход на более жаростойкий материал затруднен вследствие его непригодности для работы в данных условиях или из экономических соображений. При таком режиме работы срок службы нагревателя будет определяться, в основном, местными перегревами и его механической нагрузкой. Поэтому необходимо избегать малых сечений нагревателя (проволока должна быть d 4 мм, лента – толщиной 2 мм), разгружать его от механических нагрузок и исключить возможность замыкания соседних витков при короблении.
Характер работы нагревателя, частота его нагревов и охлаждений также сказывается на значениях рекомендуемых и особенно максимально допустимых температур. Чем чаще изменение температуры жароупорного сплава, тем быстрее протекает его окисление. Объясняется это тем, что при частых периодических нагревах и остываниях из-за разности коэффициентов расширения металла и окисной пленки последняя лопается и образует трещины, по которым кислород воздуха достигает более глубоких, неокисленных слоев металла. Поэтому и рекомендуемая и максимально допустимая температуры при прерывистом режиме работы печи (включение и отключение несколько раз в сутки с существенным остыванием) примерно на 50 оС ниже, чем при непрерывном режиме.
10.5.1. Расчет нагревателей печей с преимущественной теплоотдачей излучением.
К печам с теплоотдачей преимущественно излучением можно отнести печи с рабочей температурой выше 600-700 оС без принудительной циркуляции атмосферы, в которых можно пренебречь влиянием конвекции.
Выделяющаяся в нагревательных элементах такой печи мощность передается излучением окружающим телам – нагреваемым изделиям и футеровке печи. Упрощенная схема представлена на рис 27.
Н
Рис.27.
Схема теплопередачи в идеальной печи:
1 – нагреватель; 2 – изделие; 3 – футеровка.
Используя индексы рисунка, можем записать уравнения для теплового потока от нагревателя к изделию и от нагревателя к футеровке:
,
(10.1)
,
(10.2)
где:
– полезная мощность, воспринимаемая
изделием;
– мощность тепловых потерь, воспринимаемая
футеровкой;
,
,
абсолютные
температуры нагревателя, изделия и
футеровки;
,
– приведенные коэффициенты лучеиспускания
систем нагреватель-изделие и
нагреватель-футеровка:
,
.
(Степень черноты некоторых материалов см. приложение 15).
Из уравнений тепловых потоков определяем температуры нагревателя и футеровки в работе
,
оС (10.3)
и
,
оС. (10.4)
В идеальной печи, где отсутствуют тепловые потери и поверхности изделия и нагревателей практически равны
.
(10.5)
В такой печи передаваемое тепло пропорционально поверхности изделия (нагревателя) и передача тепла может быть охарактеризована удельной поверхностной мощностью нагревателя, Вт/см2, т.е. количеством тепла, отдаваемого нагревателем с единицы его поверхности,
.
(10.6)
Видно, что значение
такой идеальной удельной поверхностной
мощности нагревателя легко вычисляется.
Существуют также графики для определения
в зависимости от температур печи и
изделия (приложение 16).
Сплошные нагреватели, окружающие нагреваемое изделие со всех сторон, применяются крайне редко. Подавляющее количество печей выполняется с нагревателями в виде ленточных или проволочных зигзагов, спиралей и т.п., т.е. в виде элементов с нарушенной сплошностью. В таких печах в общем теплообмене участвуют три тела – нагреватель, нагреваемое изделие и футеровка. Расчет в общем случае очень сложен, в нем приходится вводить множество допущений и ограничений. Однако полученное понятие об удельной поверхностной мощности идеального нагревателя поможет определить параметры реального нагревателя.