Определение параметров электронагревательной спирали для термической камеры печи

---

---

---

 

 

Нагревательные элементы: проектирование и оптимизация проволочных нагревателей для высокопроизводительных печей 

 

В современном промышленном производстве печи сопротивления являются незаменимым инструментом.

Особое внимание при их производстве уделяется нагревательным элементам, которые должны соответствовать строгим требованиям:

 

•  Жаропрочность для выдерживания экстремальных температур
•  Минимальное электрическое сопротивление для повышения эффективности нагрева
•  Максимальное удельное сопротивление для эффективного преобразования электроэнергии в тепло
•  Механическая прочность для надежной эксплуатации в суровых условиях
•  Устойчивость к резким перепадам температуры для обеспечения стабильной работы

 

Традиционными материалами для нагревательных элементов в печах сопротивления являются нихромовые и фехралевые сплавы - (Фехраль не рекомендуем), которые обладают уникальными свойствами для данной задачи. Их применение и эксплуатационные характеристики различаются в зависимости от конкретного состава сплава.

 

 Расчет параметров нагревателей

 

Определение параметров нагревателей для конкретной печи может осуществляться по различным методикам в зависимости от заданных условий и требований.

Одним из наиболее распространенных является расчет диаметра и длины спирального нагревательного элемента для печи с заданной мощностью.

 

 Пример расчета:

 

Рассмотрим расчет параметров нихромового нагревателя марки Х20Н80 для печи с заданными параметрами:

 

• Мощность нагрева P = 1200 Вт
• Напряжение питания U = 230 В
• Рабочая температура нагревательного элемента T = 500 °C

 

 Этапы расчета:

 

1.  Определение силы тока: I = P/U = 1200/230 = 5,2 А

2.  Расчет сопротивления нагревателя: R = U/I = 230/5,2 = 44 Ом

 

 Оптимизация диаметра проволочного нагревателя

 

После определения силы тока необходимо определиться с требуемым диаметром проволоки. Для нагревателей с током выше 6 Ампер необходимый диаметр сечения составляет 0,55 мм, согласно справочным данным.

 

В нашем случае сила тока равна 5,2 А, а рабочая температура - 800°C. Следовательно, диаметр проволоки должен превышать 0,6 мм, а ее поперечное сечение - 0,283 м.кв. 

 

Ключевой принцип при выборе проволоки - она должна выдерживать ток, превышающий или равный расчетному значению.

При этом важно стремиться к использованию проволоки с диаметром, максимально близким к требуемому, чтобы минимизировать расход материала.

 

 Расчет длины нагревательного элемента

 

Далее рассчитаем длину нагревающего элемента по формуле:

 

 R = ρ • l / S

 где:

R - электрическое сопротивление (Ом)

ρ - удельное электросопротивление материала  

l - длина проволоки (м)

S - площадь поперечного сечения проволоки  

 

Исходя из рассчитанных значений, получим длину проволочного нагревателя:

 l = R • S / ρ = 44 • 0,283 / 1,11 = 9,43 м

В данном примере используется проволока из нихрома диаметром 0,6 мм в качестве нагревательного элемента.

Согласно ГОСТу 12766.1-90, удельное электросопротивление нихромовой проволоки марки Х20Н80 составляет:

1,1 Ом • мм² / м (ρ = 1,1 Ом • мм²/ м)

Таким образом, для данного нагревателя потребуется 9,43 метра нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм.

 

 Углубленный расчет для нагревателя в электропечи

 

Для более комплексного расчета параметров нагревателя учитываются дополнительные технические характеристики, такие как особенности установки.

Рассмотрим пример расчета для электропечи на основе заданных внутренних параметров.

 

 Вычисление параметров электропечи

 

 1. Определение объема камеры

 

Чтобы определить внутренний объем печи, необходимо умножить высоту (h), ширину (d) и глубину (l). В данном примере:

 

• h = 520 мм
• d = 420 мм
• l = 420 мм

 

Таким образом, объем камеры составит:

 

 V = h • d • l = 520• 420 • 420 = 92 • 10⁶ мм

 

 2. Расчет мощности печи

 

Согласно эмпирическому правилу, мощность печи объемом от 30 до 100 литров составляет 100 Вт/л. Поскольку объем нашей печи 92 литра, необходимая мощность будет:

 

P = 100 • 92 = 9200 Вт = 9,2 кВт

 

При мощности 5-10 кВт нагреватели обычно изготавливаются в однофазном исполнении. Для более высоких мощностей, во избежание перегрузок сети, используются трехфазные нагреватели.

 

 3. Определение силы тока

 

Силу тока (I), протекающего через нагреватель, можно рассчитать по формуле:

 

I = P / U

 

В данном случае рассматриваются два варианта подключения: к однофазной бытовой сети (U = 230 В) или к промышленной трехфазной сети (U = 230 В между нулем и фазой или U = 380 В между любыми двумя фазами).

 

 Однофазное подключение (бытовая сеть)

 

I = P / U = 9200 / 230 = 40 А

 

 Сопротивление нагревателя

 

Зная напряжение и силу тока, можно вычислить сопротивление нагревателя (R):

 

R = U / I = 230 / 40 = 5,75 Ом

 Детали подключения трехфазной сети

 

В трехфазной промышленной сети нагрузка равномерно распределяется по трем фазам, обеспечивая по 3,1 кВт мощности на каждую. Таким образом, нам потребуются три отдельных нагревателя.

 

Существует два способа подключения нагревателей:

 

• Соединение "звездой"

• Соединение "треугольник"

 

Каждый нагреватель подключается между фазами и нейтралью.

Напряжение на клеммах нагревателя составляет 230 вольт.

Ток, протекающий через нагреватель, рассчитывается как мощность, деленная на напряжение (3100/230 = 13,5 ампер).

Сопротивление отдельного нагревателя составляет напряжение, деленное на ток (230/13,5 = 17,04 Ом).

 

Соединение "треугольником" представляет собой альтернативный способ подключения, при котором нагреватели соединяются в замкнутую цепь, а напряжение подается на каждую вершину треугольника.

Однако мы подробно рассмотрим этот метод в следующей части.

 

 

При схеме подключения "треугольник" нагреватель соединяется с двумя фазами. Напряжение на нем составит 380 В.

 

По нагревателю течет ток величиной 8,16 А,  I = P / U = 3100 / 380 = 8.16 А. А его сопротивление равно 46,6 Ом. R = U / I = 380/ 8.16 = 46.6 Ом.

 

Перед выбором диаметра и длины проволоки нагревателя необходимо определить удельную поверхностную мощность - сколько тепла выделяется с единицы площади.

 

На этот показатель влияют:

 

Исходная температура нагреваемого объекта

Конструкция нагревателя

Технические характеристики нагревательного устройства

 

Существуют нормативные значения поверхностной мощности для разных температур и видов обработки. Для высокотемпературных печей (выше 700-800°С) она определяется как произведение эффективной поверхностной мощности и коэффициента эффективности излучения.

 

Для низкотемпературных печей (ниже 200-300°С) допустимая поверхностная мощность принимается в пределах 4-6 Вт/см².

 

Подробно и с примерами:

 

Рассмотрим нагреватель с температурой 900°С, которым мы хотим нагреть заготовку до 800°С. По таблицам находим эффективную поверхностную мощность 2,65 Вт/см² и коэффициент эффективности излучения 0,2.

 

Допустимая поверхностная мощность составит: 2,65 Вт/см² x 0,2 = 0,53 Вт/см² (или 530 Вт/м²).

 

 

Зная это значение, можно рассчитать диаметр проволочного нагревателя:

 

 

Для расчета длины проволоки можно воспользоваться формулой:

 

Определение однофазного и трехфазного подключения

 

Анализ существующих данных позволяет установить тип подключения к сети: однофазное или трехфазное.

При трехфазном подключении по схеме "Звезда" применяется проволока большего диаметра, чем при схеме "Треугольник", чтобы обеспечить требуемую мощность в 9,2 кВт.

Требования к проволоке при разных схемах подключения

Для схемы "Звезда" необходима более толстая проволока, но меньшей длины, при этом ее масса должна быть выше, чем при схеме "Треугольник".

Эти тонкие нюансы в физических характеристиках проводников обусловлены различной природой распределения тока и напряжения в этих конфигурациях.

Понимание этих различий является ключевым фактором при проектировании и обслуживании электрических систем.

 

 Создание спирали из нихромовой проволоки

 

Рассчитанную нихромовую проволоку следует сформировать в спираль.

Диаметр спирали для сплавов из никеля и хрома составляет (7÷10) ⋅ d, а для хромоалюминиевых сплавов - (4÷6) ⋅ d, где d - исходный диаметр проволоки.

 

 Предупреждение перегревов

 

Для исключения перегрева спираль необходимо растянуть, увеличив расстояние между витками до полуторакратного диаметра самого нагревательного элемента.

 

 Альтернативные материалы нагревателей

 

Помимо проволоки, для изготовления нагревательных элементов можно использовать ленту.

Выбор материала, типа и расположения нагревателей определяется конкретными условиями эксплуатации.

 

 

Компания ПАРТАЛ - эксперт в создании высокоэффективных нагревателей для печей сопротивления, предназначенных для экстремальных температурных условий.

 

Компания применяет передовые методы проектирования и высокотехнологичное производство, чтобы гарантировать оптимальную производительность в самых требовательных условиях.

Специально подобранные сплавы и конфигурации нагревательных элементов обеспечивают равномерное распределение тепла, исключительную долговечность и точный контроль температуры, необходимый для высокотемпературных процессов.