Виды, типы, классификация, характеристики, принципы работы электрических печей сопротивления
Электропечи сопротивления
Электрические печи сопротивления относятся к той категории термического оборудования, которое производит косвенный нагрев заготовок за счёт тепла, выделяемого нагревательным элементом/элементами.
С этой целью нагреватели должны быть изготовлены из сплава, имеющего высокое удельное электросопротивление.
Виды печей сопротивления
В промышленных и лабораторных целях используют несколько разновидностей печей сопротивления.
Печи с соляной ванной
Применяются для отпуска и закалки стальных инструментов. Положительными характеристиками нагрева изделий в соляной ванне являются быстрота и равномерность, а также селективный локальный нагрев в сочетании с защитой от окисления.
Этот тип печи состоит из ванны с солью, например, расплавленным хлоридом натрия, и двух электродов, погруженных в расплав. При прохождении тока в межэлектродном пространстве выделяется тепло, в результате чего температура соляной ванны достигать 1000…1500 °C (в зависимости от типа используемой соли). В эту ванну погружают нагреваемые изделия, подвергая их необходимой термической обработке. Передача тепла осуществляется за счёт теплопроводности и лучшего контакта детали с нагретым расплавом.
Поскольку постоянный ток может вызвать электролиз расплавленной соли, используется переменный ток. Электрические параметры таких печей - напряжение до 20 В и ток до 3000 А – варьируются в зависимости от размера печи. Напряжение на вторичной обмотке изменяется с помощью редуктора, включённого в первичную часть трансформатора.
С повышением температуры солевого расплава его сопротивление уменьшается, поэтому для поддержания постоянства подводимой мощности необходимо, чтобы соляные печи запускались при самых высоких характеристиках, а по мере повышения температуры постепенно доводились до более низких значений.
На контроль подводимой мощности влияет также изменение глубины погружения изделия и расстояние между нагревающими электродами. Необходимо следить за тем, чтобы ток протекал через расплав, а не через нагреваемую деталь.
Инфракрасные или лучистые нагревательные печи
В обычных печах сопротивления тепло передается от нагревательных элементов к шихте частично излучением, а частично конвекцией, причем при низких и средних температурах преобладает именно конвекция. В таких случаях целесообразно использовать лучистый или инфракрасный нагрев. Нагревательные элементы состоят из вольфрамовых ламп накаливания, которые размещены в корпусе с отражателями, направляющими все излучаемое тепло на нагреваемый материал.
Лампы работают при температуре 2300 °C (вместо обычных 3000 °C), что обеспечивает повышенную долю инфракрасного излучения и увеличивает срок службы, для чего рефлекторы покрываются родием. Используемые лампы обычно имеют номинальную мощность от 250 до 1000 Вт при напряжении 115 вольт. Работа при низком напряжении гарантирует устойчивость нити накала.
Размеры установок варьируются от единичной лампы до камер, содержащих несколько сотен ламп. При таком расположении можно получить температуру 200…300 °C, а интенсивность тепловыделения может достигать 7000 Вт/м², что намного выше, чем у обычных печей сопротивления. При радиационном нагреве поглощение тепла остается практически постоянным и не зависит от температуры загрузки. В обычной же печи сопротивления теплопоглощение быстро падает по мере повышения температуры нагреваемого материала.
В рассматриваемых установках лампы с отражателями группируются близко друг к другу, покрывая практически всю верхнюю часть нагревательной камеры. Нагреватели монтируются на лёгком стальном каркасе, причём теплоизоляция не требуется, так как всё тепло направляется внутрь объёма печи. Для компактного размещения нагревателей на определённой нагреваемой площади могут использоваться индивидуальные или групповые рефлекторы.
Точная форма камеры зависит от размера и формы нагреваемой загрузки. Управление непрерывно протекающие процессами реализуется путём перемещения нагреваемых изделий через камеру с помощью ленточного конвейера.
Муфельные печи электросопротивления
Главной особенностью муфельной печи является наличие независимой камеры, куда выходит лишь электрическая спираль нагревателя и где размещается нагреваемый материал. Нагрев производится за счёт процессов теплопроводности, конвекции или излучения. Муфель препятствует утечкам тепла и позволяет полностью контролировать однородность температуры, что имеет особое значение в лабораторных исследованиях.
В высокотемпературных муфельных печах с температурой нагрева 700…14000 °C можно производить:
• Контролируемое плавление металла в тигле;
• Анализ и определение химического состава элементов, входящих в состав исследуемого вещества;
• Закалку, отжиг, отпуск мелких стальных деталей;
• Спекание, растворение, анализ металлов, сплавов и керамики.
Высокотемпературные исполнения муфельных печей могут использоваться для предварительной обработки медицинских образцов, проб при анализе качества воды, анализе окружающей среды и др.
Поскольку заметная часть выделяемой тепловой энергии тратится на нагрев муфеля, общий КПД таких устройств невелик.
Нагревательные элементы печей сопротивления
Представляют собой токопроводящие компоненты электротермических устройств, которые выделяют в окружающее пространство значительную тепловую энергию при прохождении тока большой мощности. В результате электрическая энергия преобразуется в тепло.
Конструкции и материалы
Практическое применение нашли несколько типов нагревательных элементов:
• Нихромовые спирали, которые изготавливаются из сплава никеля с хромом;
• Из травленой фольги, которые применяются в установках прецизионного нагрева;
• Из токопроводящей резины, имеющей положительное значение температурного коэффициента (ПТК), рассчитанные на нагрев до 250…3000 °C;
• Неметаллические, материалом которых служит, например, карборунд или дисилицид молибдена;
• Композитные и полупроводниковые, трубчатые или покрытые оболочкой.
В промышленных и лабораторных устройствах преобладают металлические электронагреватели. Они обладают высокой стойкостью, а также удобны при монтаже, замене и эксплуатации.
Физико-механические показатели металлических нагревателей приведены в таблице:
| Марка сплава | Плотность, кг/м3 | Удельное электросопротивление, Ом∙м, при 20 °C | Температура плавления, град | Наибольшая температура эксплуатации, град |
| Нихром Х20Н80 или Х15Н60 | 8000…8400 | 1,10…1,27 | 1300…1400 | 1000…1100 |
| Жаростойкие сплавы железа с хромом и никелем, например, Х25Н20С2 | 7820 | 0,91 | 1400 | 900 |
| Х15Н60Ю3А | 7900 | 1,21…1,34 | 1350…1400 | 1200 |
| Железо-хром-алюминиевые Фехраль например, Х23Ю5А, Х27Ю5Т |
7250 | 1,35…1,42 | 1520 | 1200 |
Кроме сплавов, указанных в таблице, ограниченное применение находят также электронагреватели, которые производятся из медно-никелевых сплавов, а также из вольфрама, тантала и молибдена.
Особенности применения металлических электронагревателей
Конструктивно нагреватели чаще изготавливаются из нихромовой проволоки, хотя встречаются исполнения в форме ленты или полосы. Наилучшим вариантом считается нихром марки Х20Н80, поскольку данный сплав при первом нагревании образует поверхностный слой оксида хрома. Материал под этим слоем не окисляется, что предотвращает разрыв или перегорание проволоки.
Сплавы системы Fe-Cr-Al (или фехрали) представляют собой ферромагнитные сплавы, свойства электросопротивления которых аналогичны свойствам нихромов. Отсутствие никеля делает такие сплавы дешевле, зато и более подверженными коррозии, что уменьшает срок службы нагревателей.
Медно-никелевые сплавы – константан МНМц 40-1,5 и копель МНМЦ 43-0,5 характеризуются низким удельным электрическим сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления. Они обеспечивают хорошую стойкость к окислению, но могут использоваться только для низкотемпературного нагрева (не выше 700…7500С).
Нагревательные элементы из протравленной фольги изготавливаются из тех же сплавов, что вышеперечисленные, но производятся с использованием процесса субтрактивного фототравления. Этот процесс довольно сложен, поэтому электронагреватели из травленой фольги применяются в высоких технологиях - нагревательные элементы обычно медицинской диагностике, аэрокосмической отрасли и т.п.
Управление и контроль над работой электропечей сопротивления
В зависимости от технологии применения температура может поддерживаться постоянной или варьироваться в зависимости от требований. Управление может быть ручным или автоматическим.
В печах сопротивления выделяемое тепло зависит от параметра I2Rt или U2/Rt (I-ток, R – сопротивление, U-напряжение, t – время). Соответственно, есть три способа регулирования температуры:
• Путём изменения значений приложенного к нагревателям напряжения или тока, протекающего через элемент;
• Изменением сопротивления элементов;
• Варьированием соотношения времени включения и выключения питания печи.
Напряжение на печи можно регулировать, меняя отводы трансформатора. Это экономично и наиболее удобно, если трансформатор должен использоваться для понижения рабочего напряжения печей. К сожалению, таких условий практически не возникает.
Для подачи переменного во времени напряжения можно применить автотрансформатор или индукционный регулятор. Электропечи большой мощности обычно комплектуются независимой генераторной установкой.
Температурным режимом внутри печи также можно управлять, переключая различные комбинации групп сопротивлений, используемых в схеме установки. Применяются следующие способы:
1. Использование переменного количества элементов, что позволяет изменять суммарную мощность нагрева, а, следовательно, и количество генерируемого тепла. Этот метод не обеспечивает равномерного нагрева, если количество нагревательных элементов в цепи в каждый конкретный момент времени не распределено по площади поверхности, а это требует сложной проводки.
2. Смена соединений, когда элементы располагаются так, чтобы они были соединены либо все последовательно, либо все параллельно. Поскольку для этого в конструкции печи сопротивления предусматриваются соответствующие переключатели, данный метод управления является наиболее простым и удобным.
3. Изменение времени, в течение которого печь подключена/отключена от сети. В данном случае печь питается через термостатический выключатель, который замыкает и размыкает подачу тока при определенной температуре. Такой способ считается наиболее эффективным при управлении работой электропечей сопротивления.
Для реализации любого из методов контроля режимов работы в управляющих электросхемах устройств имеются соответствующие реле.
 |
 |
 |
 |
