Расчет электрической печи сопротивления – ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Содержание

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ПЕЧИ  СОПРОТИВЛЕНИЯ

Темников  Евгений  Александрович

Милютин  Алексей  Юрьевич

студенты  4  курса,  энергетического  института,  Омского  государственного  технического  университета, 
РФ,  г.  Омск

Кузнецов  Кирилл  Геннадьевич

студент  1  курса,  энергетического  института,  Омского  государственного  технического  университета, 
РФ,  г.  Омск

Е-mailEvgenTemnikov@mail.ru

 


Введение


Электрические  печи  сопротивления  и  электронагревательные  приборы  получили  широкое  распространение  в  промышленности,  транспорте,  строительстве,  сельском  хозяйстве,  медицине  и  быту  благодаря  таким  достоинствам,  как  простота,  надежность,  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.  В  данной  работе  проведем  электрический  расчет  электропечи  периодического  действия  камерной  конструкции


 


1.  Исходные  данные:

 

,  ,  , 

 


Материал  изделия:  Сталь


Конструкция  нагревателя:  Проволочный  зигзаг  на  керамической  полочке

 

Рисунок  1.  Камерная  электропечь:  а)  вид  сбоку;  б)  вид  спереди;  1  —  дверца;  2  —  футеровка;  3  —  изделие;  4  —  нагреватель.  Принимаем  схему  соединения  нагревателей  «звезда»

 


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

 

 


Зная  конечную  температуру  изделия    и  ,  определим  необходимое  значение  температуры  нагревателя.  tн  =1075  [0С]


3.  Выбирают  материал  нагревателя  из  условия

 

+  50  .

 


Наименование  материала: 


двойной  нихром  ОХ23Ю5А


g=7270  [кг/м3]


r=(1,4+5×10-5t)10-6  [Омм]


Tм.р=1200  [°С]


 


4.  Определимдля  заданного  материала  изделия,  используя  известные  значения  и  .


 


5.  Определяют  удельную  поверхностную  мощность  реального  нагревателя  ,  где  коэффициент  e¢/d  =3,0;  e  =  0,8.


6.  Мощность  одного  НЭ  ,  где    —  число  фаз,    —  число  параллельных  ветвей.


7.  Определяют  размеры  нагревательного  элемента. 


Для  проволочного  нагревателя  круглого  сечения,  диаметром  d:

 

 


После  расчета  d,  выберем  ближайшее  стандартное  значение: 


после  чего  определяют  длину    и  массу    нагревательного  элемента.

 

 


где    —  плотность  материала  нагревателя,  кг/м.


Для  определения  общем  длины    и  массы  нагревателя  печи  для  трех  фаз  умножаем    и    на  число  нагревательных  элементов:


 


 


8.  Эскиз  размещения  нагревателя  в  печи.

 

Рисунок  2.  Проволочный  зигзагообразный  нагреватель:  а)  общий  вид;  б)  проволочный  зигзаг  на  полочке

 


Для  зигзагообразного  нагревателя  общая  длина  зигзага  в  свёрнутом  виде

 

 


Проверка  температуры  нагревателя  в  работе


Температуру  нагревателя  в  работе  определим  из  уравнения:

 

;

 


где  ,  причем    —  расчетный  коэффициент  тепловых  потерь;  -  абсолютная  температура  соответственно  нагревателя  и  изделия;  —  степень  черноты  поверхности  соответственно  нагревателя  и  изделия;  [м2]  —  площадь  поверхности  изделия;  —  активная  поверхность  нагревателя.


Площадь  поверхности  нагревателя:

 

 


Коэффициент:


Коэффициент:


Взаимные  поверхности  облучения: 

 

 


Площадь  активной  поверхности  нагревателя:

 

[кВт];

 


Абсолютная  температура  изделия:    [К];


Абсолютная  температура  нагревателя  в  работе:

 

[К]

1047  [0С];

 


Выбранный  нагреватель  удовлетворяет  условию  заданного  срока  службы  и  является  работоспособным  нагревателем  для  электрической  печи  сопротивления.


 


Список  литературы:

  1. Коврижин  Б.Н.,  Седов  А.В.,  Харченко  М.С.  Электрический  расчет  электрической  печи  сопротивления:  Методические  указания  к  расчетно-графической  работе.  Изд-во  ОмГТУ,  2001.  —  26  с.

sibac.info

Калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи

Если домашнему мастеру по характеру выполняемых им работ необходима муфельная печь, то он, конечно, может приобрести готовый прибор в магазине или по объявлениям. Однако, стоит подобное оборудование заводского производства – весьма недешево. Поэтому многие умельцы берутся за изготовление таких печей самостоятельно.

Калькуляторы расчета нагревателя муфельной печиКалькуляторы расчета нагревателя муфельной печи

Основной «рабочий узел» электрической муфельной печи – нагреватель, который в условиях кустарного производства обычно исполняют в виде спирали из специальной проволоки с высокими показателями сопротивления и термической отдачи. Характеристики его должны строго соответствовать мощности создаваемого оборудования, предполагаемым температурным режимам работы, а также отвечать еще некоторым требованиям. Если планируется самостоятельное изготовление прибора, то советуем применить предлагаемые ниже алгоритм и удобные калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи.

Расчет требует определенных пояснений, которые постараемся изложить максимально доходчиво.

Алгоритм и калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи

Из чего делаются нагревательные спирали

Для начала – буквально несколько слов о проволоке, которая используется для навивки нагревательных спиралей. Обычно для таких целей применяется нихромовая или фехралевая.

  • Нихромовая (от сокращений никель + хром) чаще всего представлена сплавами Х20Н80-Н, Х15Н60 или Х15Н60-Н.

Цены на муфельную печь

муфельная печь

Ее достоинства:

— высокий запас прочности при любых температурах нагрева;

— пластична, легко обрабатывается, поддаётся свариванию;

— долговечность, стойкость к коррозии, отсутствие магнитных качеств.

Недостатки:

— высокая стоимость;

— более низкие показатели нагрева и термоустойчивости по сравнению с фехралевой.

  • Фехралевая (от сокращений феррум, хром, алюминий) – в наше время чаще используется материал из сплава Х23Ю5Т.

Достоинства фехраля:

— намного дешевле нихрома, благодаря чему в основном материал и пользуется широкой популярностью;

— имеет более значительные показатели сопротивления и резистивного нагрева;

— высокая жаростойкость.

Недостатки:

— низкая прочность, а после даже однократного нагрева свыше 1000 градусов – выраженная хрупкость спирали;

— невыдающаяся долговечность;

— наличие магнитных качеств, подверженность коррозии из-за наличии в составе железа;

— ненужная химическая активность – способен вступать в реакции с материалом шамотной футеровки печи;

— чрезмерно большое термическое линейное расширение.

Каждый из мастеров волен выбрать любой из перечисленных материалов, проанализировав их «за» и «против». Алгоритм расчёта учитывает особенности такого выбора.

Шаг 1 – определение мощности печи и силы тока, проходящего через нагреватель.

Чтобы не вдаваться в ненужные в данном случае подробности, сразу скажем, что существуют эмпирические нормы соответствия объема рабочей камеры муфельной печи и ее мощности. Они показаны в таблице ниже:

Объем муфельной камеры печи (литры)Рекомендуемая удельная мощность печи (Вт/л)
1÷5300÷500
6÷10120÷300
11÷5080÷120
51÷10060÷80
101÷50050÷60

Если есть проектные наброски будущего прибора, то объем муфельной камеры определить несложно – произведением высоты, ширины и глубины. Затем объем переводится в литры и умножается на указанные в таблице рекомендуемые нормы мощности. Так получаем мощность печи в ваттах.

Табличные значения указаны в некоторых диапазонах, так что или применяйте интерполяцию, или принимайте примерно среднюю величину.

Найденная мощность, при известном напряжении сети (220 вольт) позволяет сразу определить силу тока, который будет проходить через нагревательный элемент.

I = P / U.

I – сила тока.

Р – определённая выше мощность муфельной печи;

U – напряжение питания.

Весь этот первый шаг расчета очень легко и быстро можно проделать с помощью калькулятора: все табличные значения уже внесены в программу вычисления.

Калькулятор мощности муфельной печи и силы тока, проходящего через нагреватель

Перейти к расчётам

Шаг 2 – определение минимального сечения проволоки для навивки спирали

Любой электрический проводник ограничен в своих возможностях. Если через него пропускать ток, выше допустимого, он попросту перегорит или расплавится. Поэтому очередной шаг в расчетах – определение минимально допустимого диаметра проволоки для спирали.

Определить его можно по таблице. Исходные данные – рассчитанная выше сила тока и предполагаемая температура разогрева спирали.

D (мм)S (мм ²)Температура разогрева проволочной спирали, °C
200
4006007008009001000
Максимальная допустимая сила тока, А
519.65283105124146173206
412.637608093110129151
37.0722.337.554.5647788102
2.54.9116.627.54046.657.566.573
23.1411.719.628.733.839.54751
1.82.541016.924.92933.13943.2
1.62.018.614.42124.52832.936
1.51.777.913.219.222.425.73033
1.41.547.251217.42023.32730
1.31.336.610.915.617.82124.427
1.21.1369.81415.818.721.624.3
1.10.955.48.712.413.916.519.121.5
10.7854.857.710.812.114.316.819.2
0.90.6364.256.79.3510.4512.314.516.5
0.80.5033.75.78.159.1510.812.314
0.750.4423.45.37.558.49.9511.2512.85
0.70.3853.14.86.957.89.110.311.8
0.650.3422.824.46.37.158.259.310.75
0.60.2832.5245.76.57.58.59.7
0.550.2382.253.555.15.86.757.68.7
0.50.19623.154.55.25.96.757.7
0.450.1591.742.753.94.455.25.856.75
0.40.1261.52.343.33.854.455.7
0.350.0961.271.952.763.33.754.154.75
0.30.0851.051.632.272.73.053.43.85
0.250.0490.841.331.832.152.42.73.1
0.20.03140.651.031.41.651.8222.3
0.150.01770.460.740.991.151.281.41.62
0.10.007850.10.470.630.720.80.91
D - диаметр нихромовой проволоки, мм
S - площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм²

И сила тока, и температура берутся ближайшие, но обязательно с приведением в большую сторону. Например, при планируемом нагреве 850 градусов следует ориентироваться на 900. И, допустим, при силе тока в этом столбце, равной 17 амперам, берется большее ближайшее – 19,1 А. В двух левых столбцах сразу определяется минимально возможная проволока – ее диаметр и площадь поперечного сечение.

Более толстую проволоку использовать можно (иногда это становится и обязательным – о таких случаях будет рассказано ниже). Но меньше – никак нельзя, так как нагреватель просто перегорит в рекордно короткий срок.

Шаг 3 – определение необходимой длины проволоки для навивки спирального нагревателя

Известны мощность, напряжение, сила тока. Намечен диаметр проволоки. То есть имеется возможность, используя формулы электрического сопротивления, определить длину проводника, который будет создавать необходимый резистивный нагрев.

L = (U / I) × S / ρ

ρ — удельное сопротивление нихромового проводника, Ом×мм²/м;

L — длина проводника, м;

S  — площадь поперечного сечения проводника, мм².

Как видно, потребуется еще одна табличная величина – удельное сопротивление материала на единицу площади поперечного сечения и длины проводника. Необходимые для расчета данные – показаны в таблице:

Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволокаДиаметр проволоки, ммВеличина удельного сопротивления, Ом×мм²/м
Х23Ю5Тнезависимо от диаметра1.39
Х20Н80-Н0,1÷0,5 включительно1.08
0,51÷3,0 включительно1.11
более 31.13
Х15Н60
или
Х15Н60-Н
0,1÷3,0 включительно1.11
более 31.12

Еще проще покажется расчет, если использовать наш калькулятор:

Калькулятор расчета длины проволоки для спирали

Довольно часто нихромовую ил фехралевую проволоку реализуют не на метры, а на вес. Значит, потребуется перевести длину в ее эквивалент по массе. Выполнить такой перевод поможет предлагаемая таблица:

Диаметр проволоки, ммВес погонного метра, гДлина 1 кг, м
Х20Н80Х15Н60ХН70ЮХ20Н80Х15Н60ХН70Ю
0.62.3742.3172.233421.26431.53447.92
0.73.2313.1543.039309.5317.04329.08
0.84.224.123.969236.96242.74251.96
0.95.3415.2145.023187.23191.79199.08
16.5946.4376.202151.65155.35161.25
1.29.4959.2698.93105.31107.88111.98
1.311.14410.87910.48189.7491.9295.41
1.412.92412.61712.15577.3779.2682.27
1.514.83714.48313.95367.469.0571.67
1.616.88116.47915.87659.2460.6862.99
1.821.36520.85620.09346.8147.9549.77
226.37625.74824.80637.9138.8440.31
2.231.91531.15530.01531.3332.133.32
2.541.21340.23138.75924.2624.8625.8
2.851.69750.46648.6219.3419.8220.57
359.34657.93355.81416.8517.2617.92
3.267.52365.91563.50314.8115.1715.75
3.580.77778.85375.96812.3812.6813.16
3.685.45883.42480.37111.711.9912.44
4105.504102.99299.2249.489.7110.08
4.5133.529130.349125.587.497.677.96
5164.85160.925155.0386.076.216.45
5.5199.469194.719187.5955.015.145.33
5.6206.788201.684194.4794.844.955.14
6237.384231.732223.2544.214.324.48
6.3261.716255.485246.1383.823.914.06
6.5278.597271.963262.0133.593.683.82
7323.106315.413303.8743.093.173.29
8422.016411.968396.8962.372.432.52
9534.114521.397502.3221.871.921.99
10659.4643.7620.151.521.551.61

Шаг 4 – Проверка соответствия удельной поверхностной мощности рассчитанного нагревателя допустимому значению

Нагреватель или не справится со своей задачей, или будет работать на грани возможностей и оттого быстро перегорит, если его поверхностная удельная мощность будет выше допустимого значения.

Поверхностная удельная мощность – это количество тепловой энергии, которое необходимо получить с единицы площади поверхности нагревателя.

Прежде всего – определяем допустимое значение этого параметра. Оно выражается следующей зависимостью:

βдоп = βэф × α

βдоп – допустимая удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см²

βэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.

α – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.

βэф берем из таблицы. Данными для входа в нее являются:

Левый столбец – ожидаемая температура воспринимающей среды. Проще говоря – до какого уровня требуется разогреть помещенные в печь материалы или заготовки. Каждому уровню соответствует своя строка.

Все остальные столбцы – температура разогрева нагревательного элемента.

Пересечение строки и столбца даст искомое значение βэф.

Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °СПоверхностная мощность βэф (Вт/cм ²)  при температуре разогрева нагревательного элемента, °С
80085090095010001050110011501200125013001350
1006.17.38.710.312.514.1516.41921.824.928.436.3
2005.97.158.5510.15121416.2518.8521.6524.7528.236.1
3005.656.858.39.911.713.751618.621.3524.527.935.8
4005.26.457.859.4511.2513.315.5518.120.92427.4535.4
5004.55.77.158.810.5512.614.8517.420.223.326.834.6
6003.54.76.17.79.511.513.816.419.322.325.733.7
70023.24.66.258.051012.414.917.720.824.332.2
800-1.252.654.26.058.110.412.915.718.822.330.2
850--1.434.86.859.111.714.517.62129
900---1.553.45.457.7510.31316.219.627.6
950----1.83.856.158.6511.514.518.126
1000-----2.054.36.859.712.7516.2524.2
1050------2.34.87.6510.7514.2522.2
1100-------2.555.358.51219.8
1150--------2.855.959.417.55
1200---------3.156.5514.55
1300-----------7.95

Теперь – поправочный коэффициент α. Его значение для спиральных нагревателей показано в следующей таблице.

ИллюстрацияВариант расположения спирального нагревательного элементаЗначение коэффициента α
Нагревательная спираль спрятана в ниши футеровки муфельной печи.0,16 ÷ 0,24
Нагревательная спираль заключена в кварцевые трубки и расположена на полочках по стенкам камеры0,30 ÷ 0,36

Простое перемножение этих двух параметров как раз и даст допустимую удельную поверхностную мощность нагревателя.

Примечание: Практика показывает, что для муфельных печей с высокотемпературным нагревом (от 700 градусов), оптимальным значением  βдоп будет 1,6 Вт/см² для нихромовых проводников, и примерно 2,0÷2,2  Вт/см² для фехралевых. Если печь работает в режиме нагрева до 400 градусов, то таких жестких рамок нет – можно ориентироваться на показатели от 4 до 6 Вт/см².

Итак, с допустимым значением поверхностной удельной мощности определись. Значит, необходимо найти удельную мощность рассчитанного ранее нагревателя и сравнить с допустимой.

Быстро рассчитать этот параметр поможет калькулятор:

Калькулятор расчета удельной поверхностной мощности нагревателя

Перейти к расчётам

Если полученное значение не превышает допустимого – расчет может считаться законченным.

В том случае, когда найденное значение превосходит допустимый уровень поверхностной удельной мощности, придется проведенные расчеты несколько откорректировать. Сделать это можно, вернувшись к шагам №2—3, и повторив вычисления с увеличением диаметра проволоки на одну или несколько стандартных позиций – одновременно с этим возрастет и ее длина. Затем – снова сверить показатели. И так – пока не будет найден оптимальный вариант и с точки зрения максимальной экономичности, и с позиций обеспечения соответствия указанному параметру.

С набором наших калькуляторов провести повторный расчет – это дело буквально нескольких минут. И вот на этом расчет может считаться законченным. Можно приобретать проволоку выбранного сплава, с рассчитанными диаметром и длиной.

Как собрать муфельную печь своими руками

В этой публикации акцент был сделан именно на расчетах нагревательного элемента. А более подробно именно о процессе самостоятельного изготовления муфельной печи – читайте в специальной статье нашего портала.

stroyday.ru

важные моменты проектирования. Методика расчета печи с формулами и допусками

Одним из наиболее значимых элементов электропечи является ее нагреватель. Именно он напрямую влияет на мощность, рабочую температуру и общие функциональные характеристики оборудования. Абсолютно неважно, о каких типах приборов идет речь — трубчатых электропечах, шахтных или муфельных моделях. Для всех применимы базовые правила расчета.

Как определить мощность и силу тока печи

Начинается расчет печи с ее будущей мощности. Также определяется сила тока, которая будет проходить по телу нагревателя. Для этого можно использовать базовые эмпирические нормы соотношения размера камеры прибора к ее мощности.

Если объем насчитывает от 1 до 5 литров, желательно, чтобы мощность оборудования была в диапазоне от 300 до 500 Вт на литр. Когда камера планируется для промышленного использования, и ее объем достигает 100 литров и более, расчет муфельной печи должен учитывать примерно 50-60 Вт на каждый из них.

Детальная таблица рекомендуемых норм мощности для различных объемов камер

Провести нужные вычисления совсем несложно. Сам объем легко рассчитывается исходя из данных о высоте, ширине и глубине камеры, а потом умножается на нужный показатель. К примеру, печь на 5 литров и нагрузкой 300 Вт/л будет иметь общую мощность 1500 Вт.

Определить силу тока также достаточно просто. Базовое напряжение сети известно, и составляет 220 В.

После этого производится расчет печей, формула которого имеет следующий вид:

I=P/U

P – предварительно рассчитанная мощность, в нашем случае 1500 Вт.

U – напряжение сети.

Таким образом, имеем: 1500/220 = 6.8 А.

Как рассчитать наименьшее сечение нагревательного элемента электропечи

Расчет электрических печей должен обязательно проводиться с учетом особенностей самого нагревательного элемента. Ведь если через него пройдет сила тока, больше чем он может вынести – выход из строя неизбежен. Планируя конструкцию муфельной или шахтной электропечи, обязательно учитывайте будущий диаметр нагревателя.

Рассчитывать его можно, зная силу тока и предполагаемую рабочую температуру. Рекомендуемые нормы указаны на фото ниже.

Таблица определения параметров нагревателя электропечи. Узнаем нужный диаметр и сечение

Если в таблице отсутствует точное значение, которое совпадает с Вашим расчетом, это не критично. Когда наша сила тока будет равна 6.8 А, стоит брать за основу показатель 7.7, то есть, ближайший больший. Минимальный диаметр и сечение обеспечат бесперебойный и безопасный процесс обжига.

Можно даже заложить в расчет нагревательной печи более мощный элемент для накала. Уменьшать параметры категорически нельзя, поскольку тогда он очень быстро перегорит

Как рассчитать длину проволоки нагревателя для создания спирали

Методика расчета печи также подразумевает определение оптимальной длины проволоки для основы нагревательного элемента. Это очень важно, ведь именно от нее зависит создание необходимого резистивного нагрева.

Для того чтобы провести точный расчет закалочной печи нам потребуются такие данные как:

  • Напряжение сети.
  • Сила тока.
  • Площадь сечения нагревателя.
  • Удельное сопротивление проводника.

Последний показатель можно найти на фото представленном ниже.

Величина удельного сопротивления, в зависимости от диаметра и материала нагревателя

Далее расчет термических печей идет по формуле:

L= (U / I) x S/ p

В нашем случае, если использовать для нагревателя нихромовый сплав Х20Н80-Н, длина проволоки будет составлять: (220/6.8) х 0.785/1.11. То есть, приблизительно 23 метра.

Как проверить правильность поверхностной мощности нагревательного элемента

Если Вы планируете создать долговечные трубчатые печи, расчет обязательно должен включать и пункт проверки поверхностной мощности нагревательного элемента с допустимым значением. Это поможет вовремя обнаружить возможный выход из строя и определить грани возможностей данной составляющей оборудования.

Поверхностная удельная мощность указывает сколько тепловой энергии нужно получать с каждой единицы площади нагревателя

Методика расчета трубчатых печей вначале подразумевает поиск допустимого значения. Его можно получить по формуле:

βдоп = βэф х α

βдоп – непосредственно допустимая мощность.

βэф – мощность, которая зависит от диапазона рабочих температур.

α – коэффициент эффективности излучения тепла нагревательным элементом.

В расчет печи для обжига включаем показатель βэф и α из таблиц, представленных на фото ниже.

Таблица для расчета эффективной мощности на основе температуры заготовок и самого нагревателя

Коэффициент α также подбирается из табличных данных. Он напрямую зависит от местоположения спирали нагревателя внутри конструкции печи.

Значения поправочного коэффициента – важный аспект, который стоит учитывать, выполняя расчет шахтных печей

Впоследствии эти 2 показателя умножаются между собой и дают нам граничное значение допустимой мощности.

Это станет последним этапом проектирования оборудования.

Как видите, расчет нагревательных элементов – дело достаточно непростое. Поэтому, проще и лучше заказать электропечи для обжига и других видов термообработки от надежного производителя. Именно таким является литовский изготовитель SNOL, продукция которого представлена на нашем сайте. Не откладывайте и скорее выбирайте нужную модель!

labor-snol.ru

«Расчет электрической печи сопротивления периодического действия»

Санкт-Петербургский государственный институт

(Технический университет)

Кафедра технологии электротермических Факультет V

и плазмохимических производств Курс V

Группа 566

Студент /__________/ Блинова Марина Владимировна

Руководитель /__________ / Лавров Борис Александрович

Оценка за курсовую работу ____________

СПб

2010 г.

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1 Тепловой расчет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.1 Расчет полезной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.2 Определение установленной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Расчет тепловых потерь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Расчет и конструирование нагревательных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.1 Материал нагревателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Рекомендации по конструированию металлических нагревателей . . .11

2.3 Определение допустимой удельной поверхности мощности нагревателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

2.4 Расчет размеров нагревателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Определение ориентировочного срока службы нагревателя . . . . . . . . 16

Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

Введение

Электрические печи сопротивления (ЭПС) – это самый распространенный тип электрического аппарата в химической технологии. В них электрическая энергия преобразуется в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Наиболее распространенный тип печей сопротивления – печи косвенного нагрева, в которых электрический ток протекает по специальному элементу – нагревателю. Передача тепла от нагревателя к загрузке печи может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением. При температурах выше 600 °С преобладает теплопередача излучением, при этом другими видами теплопередачи можно пренебречь. Такие печи относят к средне- и высокотемпературным, а их расчет осуществляют на основании законов физики и ряда эмпирических закономерностей, обнаруженных на опыте.

В последнее время в связи с бурным развитием металлургии большое значение приобретает термическая обработка металлов. Так термическая обработка сталей требует очень точной выдержки заданного температурного режима и высокой степени равномерности нагрева изделий, регулировать же этот режим и обеспечивать его равномерность в электрической печи можно намного легче и точнее, чем в топливной. Также электрическую печь легко герметизировать и создать в ней нужную газовую атмосферу, при помощи электронагревательных устройств можно получить избирательный нагрев отдельных участков изделия или его поверхности. Поэтому в металлургии все больше применяются электрические печи и индукционные установки для термической обработки самых разнообразных конструкций.

Для проведения режима термообработки, требующего равномерного прогрева детали и поддержание температуры с высокой точностью отлично подходят электропечи муфельного типа. Главной особенностью таких печей является наличие так называемого муфеля, защищающего обрабатываемый материал и являющегося главным рабочим пространством муфельной печи (то есть, муфель предохраняет материал от контакта с топливом и продуктами его сгорания, в том числе газами).

В данной курсовой работе проведем расчет муфельной электропечи для отпуска изделия.

studfile.net

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 сравнительноточный 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 Rt.

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 тысячии более граду­сов, футеровка обычно имеет два слоя: огнеупорный (внутренний, образующийрабочую камеру) и теплоизоляционный. Температура на границе огнеупорногои 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; DT - диаметр трубки; S' - шаг полочек; с' - расстояние между полочками. Рекомендуемые соотноше­ния: s/d = 2,0; Do /d = 6-10; с'= 98 мм; S/Do = 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'=105мм; 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 часовуюпроизводительность. 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 технологическ

mirznanii.com

1.8. Электрический расчет печного сопротивления

В результате электрического расчета должны быть определены параметры нагревательного элемента. Электрический расчет ведут в следующей последовательности:

  1. Считают, что тепло от нагревателя к изделиям передается лучеиспусканием, т.е. в основе расчета лежит закон Стефана- Больцмана Е=G’I”.

  2. Считают, что нагреватель в виде сплошного листа охватывает изделие со всех сторон и тепловые потери отсутствуют. Пользуясь действием лучеиспускания для такого идеального нагревания, находят удельную мощность по функции:

ω ид=3.84∙, Вт/

здесь ω ид- удельная поверхностная мощность сусального нагревания,

Тн- абсолютная температуре нагревания,

Тизд- абсолютная температура нагреваемого изделия,

3,84∙- коэффициент для получения удельной поверхностной мощности в Вт/.

Для реального нагревания удельная поверхностная мощность будет меньше, и она вычисляется по формулам:

,

Cэф - коэффициент эффективности нагревания зависящий от его материала и конструкции С эф=0,3÷0,8.

Определим номинальную мощность, отдаваемую нагреваемым изделием:

Рном=ω∙F

Где F- площадь поверхности нагревателя.

Считая, что нагреватель при прохождении тока выделяет мощность равную Р=IU и приравнять Рном=Р и после исходных преобразований получим :

Рном = Р =, где

- приложенное напряжение

-сечение нагревательного элемента

ρ-удельное сопротивление

-длина нагревательного элемента

1.9. Измерение температуры в печах.

Для соблюдения необходимого температурного режима в печах производят измерение температур. С этой целью используются:

  1. Ртутные термометры (240÷600)°С.

  2. Термометры сопротивления, предел измерения до 600°С.

  3. Термоэлектрические термометры , до 2500°С.

  4. Пирометры излучения, до 4000°С.

Тема №2

    1. Индукционные печи.

Они работают на принципе электромагнитной индукции. Нагрев осуществляется за счет вихревых токов индуктируемых в нагревательном изделии:

q= -e=

Для трансформатора индуктируемая электродвижущая сила Е=4,44ωfФm.

Индукционные печи бывают 2 типов:

  1. Индукционные канальные печи (печи со стальным сердечником)

  2. Индукционные тигельные печи.

Достоинствами индукционных печей являются:

  1. Простота конструкции.

  2. Малый угар металлов.

  3. Сравнительно малый удельный расход электрической энергии.

Применяются для плавки цветных металлов и сплавов для получения легированных сталей, а также для термообработки различных деталей и изделий.

      1. Индукционные канальные печи.

1,2 – печной трансформатор

3- канал печи

4- жидкий металл.

Печь со стальным сердечником представляет собой устройство, напоминающее двухобмоточный трансформатор в котором роль второй обмотки выполняет замкнутый круговой канал из жидкого металла. Эти печи используются в основном для плавки металлов со сравнительно невысокой температурой плавления. Недостатки печей:

  1. Необходимость оставления части металла «болота» при сливе.

  2. Сложность перехода к плаке других металлов.

  3. Малая стойкость и сложность изготовления футеровки.

Применяются для выплавки меди, латуни, цинка, алюминия.

      1. Тигельные индукционные печи.

  1. индуктор

  2. тигель

  3. жидкий металл.

Нагрев и расплавление металлической шихты происходит за счет наведения в металле ЭДС и возникновения за счет этого токов. По частоте питающего тока тигельные печи делятся на:

  1. печи промышленной частоты 50Гц.

  2. печи повышенной частоты 500÷400Гц.

  3. печи высокой частоты 50÷1000кГц.

Источниками питания печей повышенной частоты являются электромашинные генераторы. Для питания печей высокой частоты применяются ламповые генераторы и тиристорные преобразователи частоты (инверторы).

Эти печи применяются для выплавки высококачественных сталей и сплавов с добавлением Ni, Mg, Cu, Al.

Достоинства:

  1. легкость получения высоких температур.

  2. получение химически чистых сплавов.

  3. Интенсивное перемешивание сплавов электромагнитными силами.

  4. Малая окисляемость, малый угар компонентов сплава

  5. Возможность проведения плавки в вакууме или среде инертных газов.

  6. Простота конструкции.

  7. Высокая производительность.

Недостатки:

  1. Сложные источники питания печей повышен6ной и высокой частоты.

  2. Низкий КПД 0,4÷0,7.

  3. Высокая стоимость.

    1. Схема питания индукционных печей.

ТТ1,ТТ2- токов трансформаторы.

С1,С2,С3- батарея конденсаторов (для компенсации).

ИП - индукционная печь.

ТП - печной трансформатор (понижающий).

После питания канальных печей со вторичной обмотки трансформатора снимается напряжение 220,380,500 В промышленной частоты. Печи могут быть с одно- или трехфазной схемой питания. Печи малой мощности подключаются непосредственно к сети 38/0В. Схема питания тигельных печей промышленной частоты аналогична.

Схема питания индукционных печей повышенной частоты:

Индукционные тигельные печи применяются для плавки небольших количеств металлов и сплавов на мощности 25,60Квт с емкостью тигеля 25,50кг.

studfile.net

1 Тепловой расчет

Цель теплового расчета электрических печей сопротивления определение оптимальных параметров (энергетических, геометрических, экономических) при которых обеспечивается проведение заданного технологического процесса. По результатам расчета выбирают конструкцию футеровки печи, определяют установленную мощность печи, вычисляют тепловые потери печи.

Завершают тепловой расчет вычислением производительности печи, удельного расхода электроэнергии и теплового КПД. Производительность садочных (периодических) ЭПС:

, (1.1)

где G – производительность печи, кг/с;

М – масса единовременной загрузки, кг;

tц – время технологического цикла, с.

Время цикла состоит из:

, (1.2)

где tн – время нагрева;

tзаг – время загрузки и выгрузки;

- время на охлаждение.

Данные материала:

λ=30 кккал/м˚Сч, с=0,16 ккал/кг˚С, γ=7850 кг/м3 , отсюда коэффициент температуропроводности изделия

Нагрев заготовок. Для tпечи =850°С, коэффициент теплопередачи α850=140 ккал/м2˚Сч

Критерий Био

К концу нагрева, когда температура поверхности достигнет 800˚С,

температурный критерий

По графику для расчета нагрева поверхности цилиндра определяем критерий Фурье:

отсюда

Такому критерию Фурье соответствует

откуда

Перепад между температурами поверхности и оси заготовок составляет, т. о., через 3,7 ч с начала нагрева - 12˚С.

Таким образом, время технологического цикла составляет:

Отсюда,

    1. 1.1 Расчет полезной мощности

Теплоту, необходимую для нагрева загрузки и вспомогательных приспособлений, следует называть полезной Qпол, а соответствующую мощность – полезной мощностью Nпол.

    1. Теплоту Qз рассчитывают исходя из термодинамики процессов, происходящих при термообработки загрузки.

В случае, когда функциональная зависимость теплоемкости от температуры не известна, можно приближенно принять:

, (1.3)

,

где сс – усредненная теплоемкость загрузки, Дж/кг*К;

сн – теплоемкость загрузки при Тн, Дж/кг*К;

ск – теплоемкость загрузки при Тк, Дж/кг*К.

Тк=298 К

Тн=1073 К

=693 Дж/кг*К

=60,39 кг

Для расчета соответствующей мощности Nзн (мощность, необходимая для нагрева загрузки и прохождения физико-химических процессов) необходимо знать время нагрева загрузки tн до заданной температуры, тогда:

    1. (1.4)

    2. tнагр=13320 сек

    3. Зная удельный расход электроэнергии, можно оценить энергетическую эффективность процесса.

    4. (1.5)

где -удельный расход электроэнергии, Дж/кг

=0,66 МДж/кг

Теплота, необходимая для прогрева вспомогательных элементов:

В качестве вспомогательного материала выступает подложка под обрабатываемое изделие. Размеры: Длина (а) 550 мм; Ширина (b) 550 мм; Высота (h) 25 мм.

- масса вспомогательного элемента, кг;

- усредненная теплоемкость i-го элемента, Дж/кг К.

Дж/кг К

Отсюда

В результате для полезной теплоты и мощности имеем:

studfile.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *