Расчет нагревателей

Расчет нагревателей

На данной странице мы рассмотрим справочную информацию о материалах, которые применяют для изготовления электрических нагревателей, а также наведем примеры расчета нихромовых нагревателей электрических печей.

Материалы для нагревателей

Нагреватели это наиболее важный элемент печи, и они должны соответствовать многим требованиям.

  • Жаростойкость и жаропрочность. Проволочные нагреватели должны обладать хорошей жаростойкостью (сопротивление металла или сплава при высокой температуре к газовой коррозии), а также жаропрочностью.
  • Низкий температурный коэффициент сопротивления. Этот фактор важен при выборе материала. Низкий коэффициент говорит, что даже при нагревании материала, его электрическое сопротивление очень слабо меняется. Например, если этот температурный коэффициент велик, то, чтобы включить печь в холодном состоянии, нужно использовать трансформаторы пониженного напряжения в начальный момент.
  • Высокое удельное электрическое сопротивление. Этой характеристикой, должен обладать нагреватель в электропечи. Чем выше значение сопротивления, тем больше материал может нагреться, и тем меньшей длины его нужно. Чем больше диаметр нагревательной проволоки, тем больше ее срок службы. Материалы с очень высоким электрическим сопротивлением это хромоникелевые прецизионные сплавы нихром Х20Н80 и Х15Н60, и сплав фехраль Х23Ю5Т.
  • Хорошие технологические свойства. Материалы должны иметь хорошую пластичность, свариваемость, так как из них изготавливаются: проволоки, ленты, сложной формы нагревательные элементы.
  • Постоянные физические свойства. Ни не должны меняться при больших нагревах, большие промежутки времени.

Лучше всего для производства электрических нагревателей для электропечей подходят нихром и фехраль, которые имеют высокое электрическое сопротивление. Более подробно о марках  и их свойствах можно посмотреть ГОСТ 10994-74.

Марки нихрома подходящие для изготовления нагревателей: Х20Н80, Х20Н80-Н, Х15Н60, Х15Н60-Н.

Марки фехрали подходящие для изготовления нагревателей: Х23Ю5, Х23Ю5Т, Х15Ю5, Х27Ю5Т.

Также железохромоникелевые сплавы: Х27Н70ЮЗ, Х15Н60Ю3.

Все эти сплавы обладают теми характеристиками, о которых писалось выше. Например, высокая жаростойкость обеспечивается благодаря образовывавшейся пленке на поверхности из окиси хрома.

Сравним нихром и фехраль

Достоинства нихрома:

  • Прекрасные механические свойства при любых температурах;
  • крипоустойчивость;
  • Пластичный и хорошо обрабатывается;
  • Имеет прекрасную свариваемость;
  • не стареет;
  • немагнитен.

Достоинства фехрали:

  • имеет более низкую цену чем нихром, так как нет в его составе дорогого никеля;
  • фехраль Х23Ю5Т имеет лучшую жаростойкость чем нихром. Фехралевая проволока толщиной 6 мм может работать при 1400 °С.

Недостатки нихрома:

  • Более дорогой чем фехраль, так как основной компонент никель имеет высокую стоимость;
  • Рабочая температура ниже чем у фехрали.

Недостатки фехрали:

  • сплав более хрупкий, особенно при температурах около 1000 °С и больше;
  • Низкое сопротивление ползучести;
  • сплав является магнитный, так как имеет в составе железо. Фехраль также ржавеет во влажной среде.
  • Взаимодействует с окислами железа и шамотной футеровкой;
  • Во время работы фехралевые нагреватели удлиняются.

Также есть сплавы Х27Н70ЮЗ и Х15Н60Ю3 которые содержат 3% алюминия. Этот элемент позволяет улучшить жаростойкость сплавов. Данные сплавы не воздействуют с окисями железа, и с шамотом. Они нехрупкие, прочны и хорошо обрабатываются. Максимальная рабочая температура составляет 1200 °С.

Также нагреватели изготавливают и с тугоплавких металлов, или неметаллов (уголь, дисилицид молибдена, графит, карборунд). Дисилицид молибдена и карборунд применяют для нагревателей в высокотемпературных печах. Графитовые и угольные нагреватели используют в печах с защитной атмосферой.

Тугоплавкие металлы, которые часто используют это тантал, молибден, ниобий, вольфрам. В печах з защитной атмосферой, а также высокотемпературных вакуумных печах применяют вольфрам и молибден. Нагреватели из молибдена используют в вакууме до 1700 °С и в защитной атмосфере при температуре до 2200 °С. Данная особенность в том, что молибден начинает испарятся при температуре 1700 °С (вакуум). Нагреватели из вольфрама способны работать при тем. до 3000 °С. Весьма редко для производства нагревателей используют ниобий и тантал.

Расчет нагревателей для электрических печей

При расчете нагревателей для электрических печей учитываются такие исходные данные:

  • объем рабочего пространства печи;
  • мощность нагревателей;
  • максимальная температура (требуется для осуществления технологического процесса: закалка, отпуск, спекание).

Важно: При отсутствие данных о мощности печи,  то ее рассчитывают по эмпирическому правилу. Нужно знать: длину и диаметр проволоки, или длину и площадь сечения ленты, нагревателя.

Мы рассмотрим один из самых популярных сплавов для производства нагревателей это нихром Х20Н80.

Простой расчет длины и диаметра проволоки нагревателя для определенной мощности печи. С одной небольшой особенностью.

Пример. Нихромовая проволока Х20Н80.

Исходные данные:

  • Мощность устройства P = 1.5 кВт = 1500 Вт.
  • Максимальная температура до которой будет нагреваться нагреватель 900 °C.
  • Напряжение U = 220 В.
  1. Сила тока определяется так:

  1. Сопротивления нагревателя определяется так:

  1. Сила тока играет ключевой момент при выборе диаметра проволоки нихромового нагревателя. По таблице, которая находится ниже, мы выбираем необходимый диаметр. В нашем примере, Сила тока = 6,8181 А, а температура нагревателя = 900 °C, то диаметр проволоки будет равен – d = 0,55 мм, и соответственно поперечное сечение – S = 0,238 мм2.

Такие значения мы получили, потому, что проволока выбирается такая, которая имеет допустимую силу тока. Которая в свою очередь меньше, чем расчетная сила тока. То есть мы выбираем проволоку из нихрома с ближайшим больший значением допустимой силы тока.

Табл. 1

Примечание:

При условии, что нихромовый нагреватель будет находится внутри нагревательной жидкости, то допустимую силу тока увеличивают в на 10-50%.

Если нагреватель находится в закрытом расположении, то допустимая сила тока уменьшается в на 20% для толстой проволоки, и на 50% для тонкой проволоки.

  1. Определение длины проволоки.

R – электрическое сопротивление, Ом,

p – удельное электрическое сопротивление материала, Ом • мм2 / м,

l – длина нагревателя, мм,

S – площадь поперечного сечения, мм2.

Исходя из формулы выше, мы получаем, что длина нагревателя рассчитывается так:

В примере использовался диаметр проволоки d = 0,55 мм.

Номинальное значение удельного электрического сопротивления проволоки Х20Н80 взято из таблички 2, в соответствии с ГОСТом 12766.1-90 и имеет значение ρ = 1,1 Ом•мм2/м.

Итог расчетов показал, что при условиях:

мощность устройства P = 1.5 кВт = 1500 Вт;

температура нагревателя 900 °C;

U = 220 В.

необходима нихромовая проволока долиной: 6,91 м., и диаметром – 0,55 мм.

Таблица 2

Подробный расчет длины, а также диаметра нихромовой проволоки для нагревателей определенной печи.

Здесь представлен сложный расчет, который учитывает: дополнительные параметры нагревателей, различные варианты их подключения к трехфазной сети.

Расчет проводится по внутреннему объему печи.

  1. Объем камеры рассчитывается по всем известной формуле:

Для примера возьмем:

  • высота h = 490 мм,
  • ширина камеры d = 350 мм,
  • глубина камеры l = 350 мм.

Объем получится:

  1. Мощность печи рассчитывается по эмпирическому правилу: электропечи объемом от 10 до 50 литров имеют удельную мощность около 100 Вт/л, печи объемом в пределах 100 – 500 литров – соответственно мощность от 50 до 70 Вт/л..

В нашем примере, удельная мощность печи будет – 100 Вт/л.

Исходя из этого мощность нихромового нагревателя должна быть:

Важно!

Нагреватели мощностью 5-10 кВт изготавливают однофазными. При мощности выше 10 кВт, нагреватели изготавливают трехфазными.

  1. Сила тока, который проходит через нагреватель рассчитывается по:

P – мощность нагревателя из нихрома,

U – напряжение.

Сопротивление нагревателя считают по формуле:

Если нагреватель подключают к одной фазе то U = 220 В, если к трехфазной то U = 220 В будет между нулем и любой другой фазой, или U = 380 В будет между двумя фазами.

Далее мы рассчитаем два подключения – однофазное, и трехфазное.

Однофазный ток (бытовая сеть)

– сила тока на проволоке нагревателя.

– сопротивление нагревателя печи.

Трехфазный ток (промышленная сеть)

При трехфазном подключении нагрузка идет на три фазы равномерно, то есть 6 разделить на 3 и получится 2 кВт на каждую фазу. Из этого следует, что нам нужно 3 нагревателя по 2 кВт каждый.

Есть два способа подключения сразу трех нагревателей. “ТРЕУГОЛЬНИК” и “ЗВЕЗДА”.

Подключении “ЗВЕЗДА” подразумевает подключение каждого нагревателя между нулем и своей фазой (рис. 2). В таком случае напряжение U = 220 В.

Сила тока:

Сопротивление:

Рис. 1 Подключение «ЗВЕЗДА» в трехфазной сети

Подключении “ТРЕУГОЛЬНИК” подразумевает расположение нагревателя между двумя фазами (рис. 3). Из этого следует, что напряжение U = 380 В.

Сила тока:

Сопротивление:

Рис. 2 Подключение «ТРЕУГОЛЬНИК» в трехфазной сети

  1. Определив сопротивление нихромного нагревателя, нужно рассчитать его диаметр и длину.

Также необходимо проанализировать удельную поверхностную мощность проволоки (мощность, которая выделяется с 1 см2 площади поверхности). Данная мощность зависит от конструкции самого нагревателя, и температуры нагреваемого материала.

Пример

При однофазном подключении, для 60 л. печи сопротивление: R = 8,06 Ом.

Берем проволоку Х20Н80 диаметром d=1 мм.

Чтобы получить наше сопротивление, нужно рассчитать длину:

ρ – номинальное значение электрического сопротивления проволоки длиной 1 метр согласно ГОСТ 12766.1-90, (Ом/м).

Нужный отрезок нихромовой проволоки будет иметь массу:

μ – масса 1 метра нихромовой проволоки.

Площадь поверхности проволоки длиной l=5,7 метра, рассчитывается по формуле:

l – длина в сантиметрах.

d – диаметр в сантиметрах.

По расчетам мы получили, что площадь поверхности проволоки – 179 см2 выделяет 6 кВт. Таким образом, 1 см2 площади проволоки выделяет мощность:

β – поверхностная мощность нагревательной проволоки.

В данном примере мы получили слишком большую поверхностную мощность проволоки, из-за чего нагреватель просто расплавится при нагреве его до такой температуры, которая  нужна для получения поверхностной мощности. Такая температура будет определенно выше температуры плавления нихрома. Это пример расчета показывает неправильный выбор диаметра нагревательной проволоки для изготовления нагревателя.

Каждый материал имеет свое допустимое значение поверхностной мощности в зависимости от температуры. Значение берутся из таблиц.

Высокотемпературные печи (700 – 800 °С) имеют допустимую поверхностную мощность, (Вт/м2), которая рассчитывается по формуле:

βэф – поверхностная мощность в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды, (Вт / м2).

Табл. 3

α – коэффициент эффективности излучения.

Табл. 4

Низкотемпературная печь (200 – 300 °С), имеет допустимую поверхностную мощность (4 – 6)×104 Вт/м2.

Предложим, что температура нашего нагревателя 1000 °С, и нам нужно нагреть условную заготовку до 700 °С. Тогда из табл. 3 берется

α = 0,2,

βэф = 8,05 Вт/см2,

и рассчитываем:

  1. Далее нужно рассчитать диаметр проволочного нагревателя или толщину и ширину ленточного нагревателя, и конечно длину нагревателя.

Диаметр определяется по формуле:

d – диаметр, м;

U – напряжение на концах нагревателя, В;

P – мощность, Вт;

βдоп – допустимая поверхностная мощность, Вт/м2.

ρt – удельное сопротивление материала при определенной температуре, Ом•м;

ρ20 – удельное электрическое сопротивление материала при температуре 20 °С, Ом•м.

k – Поправочный коэффициент, который применяет для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.

Длина нихромовой проволоки определяется так:

l – длина, м.

Удельное электрическое сопротивление Х20Н80 –

Однофазный ток (бытовая сеть)

Смотря на предыдущие расчеты стало ясно, что для печи 60 литров, подключенной к однофазной сети:

U = 220 В, P = 6000 Вт, допустимая поверхностная мощность βдоп = 1,6 × 104Вт/м2. Подставив эти цифры в формулу мы получим толщину проволоки.

Данная толщина округляется до наиболее близкого стандартного размера, которые находится в табличке 8 по ГОСТу 12766.1-90.

Приложение 2, Табл. 8.

В нашем примере, диаметр проволоки из формулы округляется до d= 2,8 мм.

Нагреватель будет иметь такую длину

Для нашего примера требуется проволока длиной l = 43 м.

Иногда нужно также узнать массу всей проволоки которой необходимо.

Для этого есть формула:

m – масса нужного нам отрезка проволоки, кг;

l – длина, м.

μ – удельная масса (1 м. проволоки), кг/м;

Расчет показал, что наша нихромовая проволока будет иметь массу m = 43×0,052 = 2,3 кг.

Наш пример расчета позволяет определить минимальный диаметр проволоки необходимой для нагревателя при определенных условиях. Этот метод является наиболее экономным и оптимальным. Конечно можно использовать и проволоку  большим диаметром, но ее количество конечно возрастет тогда.

Проверка

Расчет нихромовой проволоки можно проверить.

Мы получили диаметр проволоки d = 2,8 мм. Длина считается так:

l – длина, м;

ρ – номинальное значение электрического сопротивления проволоки длиной 1 м, Ом/м.

R – сопротивление, Ом;

k – поправочный коэффициент электрического сопротивления в зависимости от температуры;

Расчет показал, что полученная длина проволоки совпадает со длиной полученной в другом расчете.

Чтобы проверить поверхностную мощность, и сравнить с допустимой мощностью. В соответствии с пунктом 4.

и не превышает допустимую βдоп= 1,6 Вт/см2.

Итог

В нашем примере нужно 43 метра нихромовой проволоки марки Х20Н80 с диаметром d = 2,8 мм. Вес проволоки – 2,3 кг.

Трехфазный ток (промышленная сеть)

Находим длину и диаметр проволоки, которую необходимо для производства нагревателей.

Подключение к трехфазному току по типу «ЗВЕЗДА».

У нас есть 3 нагревателя, на каждый из которых нужно мощности по 2 кВт.

Находим длину, диаметр и массу только одного нагревателя.

Ближайший стандартный больший размер d = 1,4 мм.

Длина, l = 30 метров.

Масса нагревателя

Проверяем

При диаметре нихромовой проволоки d = 1,4 мм, рассчитаем длину

Длина практически совпадает с расчетом выше.

Поверхностная мощность проволоки составляет

Итог подсчета

У нас три одинаковых нагревателя подключенных по типу “ЗВЕЗДА”, и для них нужно:

l = 30×3 = 90 метров проволоки массой m = 0,39×3 = 1,2 кг.

Подключение к трехфазному току по типу «ТРЕУГОЛЬНИК». (рис. 3)

Сопоставив наше полученное значение, ближайший большой стандартный размер, d = 0,95 мм.

Один нагреватель будет иметь длину, l = 43 метров.

Масса нагревателя

Проверка расчета

При диаметре проволоки d = 0,95 мм., мы рассчитывает длину проволоки:

Значения по длине проволоки практически совпадают при обеих расчетах.

Поверхностная мощность будет:

и не превышает допустимую.

Подведем итог

Подключения трех нагревателей по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, нужно:

l = 43×3 = 129 метров проволоки, массой

m = 0,258×3 = 0,8 кг.

Подводя итоги для обеих типов подключения «ЗВЕЗДА» и «ТРЕУГОЛЬНИК» к трем фазам, мы получаем интересные данные.

Для «ЗВЕЗДЫ» нужно проволоку с диаметром d=1.4 мм, а для «ТРЕУГОЛЬНИКА» диаметр d=0.95 мм,

Длина проволоки для схемы «ЗВЕЗДА» будет 90 метров с массой 1.2 кг, а для схемы «ТРЕУГОЛЬНИК» 129 метров с массой 0.8 кг, то есть 800 гр.

Для эксплуатации нихромовой проволоки ее наматывают в спираль. Диаметр спирали принимается равным:

для хромоникелевых сплавов.

– для хромоалюминиевых.

D – диаметр спирали, мм.

d – диаметр проволоки, мм.

Для устранения перегревов, спираль растягивают до такой степени, что бы добиться расстояния между витками в 1,5-2 раза больше, чем диаметр самой  нихромовой проволоки.

Мы рассмотрели информацию о электрических нагревателях, примеры о расчета проволочных нагревателей для электрических печей.

Также стоит помнить, что кроме проволоки, в качестве нагревателей можно использовать и ленту. Кроме выбора размера проволоки, стоит учитывать материал нагревателя, тип, расположение.