Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі

В роботі електричної печі одним з найбільш ключових елементів є нагрівач. Саме за рахунок нього піч виробляє необхідні температури. Від якості нагрівального елементу ще залежить і працездатність пічної установки в цілому. З цієї причини обраний нагрівач повинен строго відповідати певним вимогам, які будуть вказані далі. 


Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі


Якості, якими повинен володіти електронагрівач для печі:

  • Нагрівальний елемент повинен володіти високою жаростійкістю і міцністю в умовах підвищеної температури.

  • Матеріал нагрівача повинен володіти високим питомим опором. Від цього критерію залежить максимальна здатність нагріву. Найчастіше в якості таких матеріалів використовують сплави ніхрома і фехралі, які характеризуються як прецизійні.

  • Невисокий коефіцієнт температури опору важливий критерій при виборі сплаву для нагрівального пристрою. Якщо даний показник високий доведеться використовувати трансформатор для зниження напруги на початковому етапі роботи. Фізичні характеристики сплавів електрообігрівача повинні бути постійними. Деякі матеріали, такі як карборунд, що є неметалевим нагрівачем, можуть з часом змінювати свої фізичні властивості, включаючи електроопір, що ускладнює умови їх експлуатації. Для стабілізації опору використовують трансформатори з великим числом ступенів і діапазоном напруги.
  • Металеві матеріали повинні мати хороші технологічні властивості, а саме: пластичність і зварюваність, щоб виготовляти з них стрічки або дріт. З стрічок в подальшому можна виробляти елементи складної конфігурації. Нагрівачі також можуть бути виготовлені з неметалевої сировини. Неметалеві нагрівачі пресують, або відливають, перетворюючи в готовий продукт.

Матеріали для виробництва нагрівачів

Найбільш придатними і найбільш вживаними при виготовленні нагрівачів для електропечей є прецизійні сплави з високим електроопору. До них відносять сплави на основі хрому та нікелю (нікель-хром), заліза, хрому і алюмінію (залізо-хром-алюміній). Марки і властивості цих сплавів враховані в ГОСТ 10994-74 «Сплави прецизійні». Представниками нікель - хромових сплавів є ніхром марок X20H80, X20H80-H (950-1200 ° C), X15H60, X15H60-H (900-1125 ° C), феррохромоалюміній - фехраль марок H23YU5T (950-1400). ° С), Х27Ю5Т (950-1350 ° С), Х23Ю5 (950-1200 ° С), Х15Ю5 (750-1000 ° С). Існують також залізо-хромонікелеєві сплави - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Вищевказані матеріали для нагрівачів мають гарну тепло і термостійкість. Хорошу термостійкість забезпечує захисна плівка з оксиду хрому, яка утворюється на поверхні матеріалу. Температура плавлення плівки вище, ніж температура плавлення самого сплаву; він не розтріскується при нагріванні і охолодженні.


Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі


Переваги ніхрому:

  • Відмінні механічні властивості, як при низьких, так і при високих температурах;

  • Не застаріває, немагнітний.

  • Добре піддається обробці;

  • Має хороші технологічні властивості;

  • Сплав кріпостійкий;

Недоліки нихрому:

Дорогий;

Робочі температури нижче, ніж у фехралю;

Переваги фехралю:

Порівняно з нікелем недорогий;

Більш жаростійкий.


Недоліки фехралі:

  • Хрупкий;

  • Низький опір повзучості;

  • Подовжується при нагріванні.

Розрахунок нагрівачів електричних печей

Як правило, в якості вихідних даних для визначення параметрів електронагрівача для печі береться його необхідна потужність, максимальні показники вироблюваної температури і параметри робочого простору. Якщо потужність пічної установки не відома, то її визначають по емпіричному правилу. При розрахунку нагрівальних елементів важливо визначити діаметр і довжину (для дроту) або площа поперечного перерізу і довжину (для стрічки), які необхідні для виробництва нагрівальних елементів. Потрібно відразу визначити і матеріал, з якого будуть виготовлятися нагрівачі. Ми ж будемо розглядати хромонікелевий сплав Х20Н80.

Обчислення діаметра і довжини електронагрівача (дроту з ніхрому) для наявної потужності простим способом

Найпростішим варіантом визначення параметрів нагрівача є обчислення його діаметра і довжини в умовах уже відомої потужності, напруги мережі, а також температури, яку буде мати нагрівач.

Але, такий розрахунок має одну особливість, про яку буде розказано далі.

Приклад обчислення довжини і діаметру нагрівального дроту

Початкові дані:

Устаткування має потужність P = 1200 Вт; підключається до мережі з напругою U = 240 В; нагрівач подає температуру 900 ° C. В якості нагрівача застосований ніхром маркуванням Х20Н80

1. В першу чергу нам необхідно визначити силу струму, що проходить через елемент нагріву, підставляючи наявні дані:

    I = P / U = 1200 / 240 = 5 А.

2. Потім знаходимо опір нагрівального дроту:

    R = U / I = 240 / 5 = 48 Ом;

3. Маючи значення сили струму, який проходить по нагрівальному дроту, вираховуємо діаметр нагрівального елементу. Це дуже важливий момент. Наприклад, якщо сила струму становить 10 А нихромовий дріт діаметром 0,5 мм відразу ж перегорить. Вирахувавши силу струму, слід зі спеціальної таблиці розрахунку, яка надана у відкритому доступі, підібрати відповідне значення діаметра дроту. Виходячи з нашого прикладу, де сила струму становить 5 А, а термічна подача від нагрівача - 900 ° C діаметр нагрівача повинен складати d = 0,4 мм. Площа поперечного перерізу S = 0,126 мм2.


Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі


Примітка:

Якщо нагрівальний пристрій буде експлуатуватися в рідинному середовищі, то навантаження може бути збільшене в півтора рази.

В умовах закритої експлуатації, як у випадку використання електропечі, навантаження повинна навпаки зменшуватися в півтора рази.

4. Наступним кроком буде визначення довжини ніхромового елементу нагрівання за формулою:

    R = ρ · l / S,

де R - електроопір нагрівального дроту [Ом], ρ - питомий електроопір матеріалу нагрівального елементу [Ом · мм2 / м], l - довжина [мм], S - площа поперечного перерізу [мм2].

Підставляємо свої дані і отримуємо:

    l = R · S / ρ = 48 · 0,126 / 1,11 = 5,44 м.

У цьому прикладі нагрівач має діаметр Ø 0,4 мм, що відповідає ГОСТ 12766.1-90. Номінальне значення питомого електроопору ніхромового провідника марки Х20Н80 становить 1,1 Ом · мм2 / м (ρ = 1,1 Ом · мм2 / м), див. табл. 

Питомий електричний опір ніхрому (номінальне значення).

Марка сплаву

Діаметр, мм

Питомий опір, мкОм*м

Х20Н80-Н

0,1-0,5

1,08

 

0,5-3,0

1,11

 

більш 3,0

1,13

Х15Н60, Х15Н60-Н

0,1-3,0

1,11

 

більше 3,0

1,12

Х23Ю5Т

будь-який діаметр

1,39

 

Підсумком розрахунків є необхідна довжина ніхромового провідника, що становить 5,44 м, діаметр - 0,4 мм.

Обчислення параметрів діаметра і довжини ніхромового провідника для заданої електропечі (більш складний і детальний розрахунок)

В даному випадку будуть враховані додаткові параметри нагрівального дроту і його підключення до трифазної мережі. В якості вихідних даних будуть взяті внутрішні розміри електропечі.

1. В першу чергу визначається внутрішній об'єм камери для печей установки. Наприклад: h = 530 мм, d = 420 мм і l = 420 мм (висота, ширина і глибина). Таким чином, отримуємо обсяг V = h · d · l = 530 · 420 · 420 = 93,4 · 10 6 мм 3 = 93,4 л (міра об'єму).

2. На наступному етапі обчислюється потужність печі, яка буде визначатися по емпіричному правилу: для пічної установки об'ємом 10 - 50 літрів питома потужність становить 100 Вт / л (Ватт на літр об'єму), об'ємом 100 - 500 літрів - 50 - 70 Вт / л .

Як приклад наведемо піч з потужністю 100 Вт / л і відразу вирахуємо, що потужність елемента нагрівання повинна скласти P = 100 • 93,4 = 9340 Вт = 9,34 КВт. Такі печі призначаються для однофазної мережі. Якщо навантаження значно вище, то таке обладнання призначається для трифазного підключення.

3. Далі визначаємо силу струму, яка буде проходити черезнагрівальну дріт по формулі: I = P / U

де P - потужність нагрівальної дроту,

U - напруга нагрівача між кінцями,

і його опір R = U / I.

Підключення при зазначених параметрах може відбуватися по одному з наступних способів:

  • До однофаз току побутової мережі - 220 В;

  • До промислової трифазної мережі 220 В (між нульовим проводом і фазою) або U = 380 В (між двома будь-якими фазами).

Побутова мережу однофазного струму


Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі


 I = P / U = 9340 / 220 = 42,5 А - ток, що протікає через дріт.

Визначення опору електронагрівача для печі.

     R = U / I = 220 / 42,5 = 5,18 Ом.

Промислова мережа трифазного струму 

Навантаження при такому типі підключення розподілитися рівномірно на три фази. Тому знадобляться відразу три нагрівальні елементи. Способів підключення існує два, з них і слід вибирати.
Зверніть увагу, що застосовуються формули для визначення сили струму і опору до трифазної мережі не класичні. Ми їх підібрали для спрощення розрахунків. Точність отриманих даних не спотворена.


Розрахунок параметрів електронагрівачів для печі, розрахунок нихромової спіралі


Підключення за схемою «ЗІРКА» має на увазі приєднання нагрівача між фазою і нулем. Відповідно до цього напруга на кінцях нагрівальної дроту становитиме 220 В.

Струм, який проходить по нагрівачу:

     I = P / U = 3113 / 220 = 14,15 А.

Опір одного нагрівального елементу:

     R = U / I = 220 / 14,15 = 15,54 Ом.

При використанні схеми "ТРИКУТНИК" нагрівальний елемент підключають між двома фазами і напруга на його кінцях - 380 В.

Струм, який проходить по нагрівачу:

     I = P / U = 3113 / 380 = 8,19 А.

Опір одного нагрівального елементу:

     R = U / I = 380/ 8,19 = 46,4 Ом.

4. Визначивши опір нагрівального дроту для відповідного типу підключення до мережі далі потрібно обчислити діаметр і довжину дроту.

Питома поверхнева потужність

Обчисливши всі зазначені параметри, слід проаналізувати питому поверхневу потужність електронагрівача, яка залежить від термічних значень матеріалу піддається нагріванню і від конструкції обраного елемента нагрівання.

Приклад

У попередніх розрахунках ми визначили опір електрообігрівача. Для пічної установки в 93,4 літра, яка включається в однофазну мережу опір дорівнює R = 5,18 Ом. Для прикладу підберемо ніхромову сплав маркуванням Х20Н80 діаметром 1 мм. Для отримання необхідного опору, потрібно: l = R / = 5,18 / 1,4 = 3,7 м ніхромового дроту, де - номінальне значення електричного опору 1 м дроту по ГОСТ 12766.1-90, [Ом / м].

Маса наявного відрізка провідника складе m = l · = 3,7 · 0,007 = 0,0259 кг = 26 г, де - маса 1 м дроту. Потім визначаємо площу поверхні відрізка провідника із ніхромового сплаву довжиною 3,7 м. S = l · d = 370 · 3,14 · 0,1 = 116,2 см2, де l - довжина нагрівального елементу [см], d - його діаметр [см]. Виходячи з цього, з площі 116,2 см2 повинно виділятися 9,34 кВт. Вдавшись до простої пропорції виявляємо, що з 1 см2 виділяється потужність = P / S = 9340 / 116,2 = 80,4 Вт, де - поверхнева потужність нагрівального елементу.

Така потужність занадто велика. Ніхромовий сплав її не витримає, якщо прогрівати його до температур, які забезпечили б отримане значення поверхневої потужності. Наведений приклад є демонстрацією неправильного вибору діаметра дроту, яка буде використовуватися для виготовлення нагрівача.

Кожному матеріалу, залежно від необхідних термічних значень характерно своє допустиме значення поверхневої потужності. Його можна вирахувати за рахунок спеціальних табличок і графіків.

Високотемпературним печам (700 - 800 ° С) допустима поверхнева потужність, яка дорівнює βдоп = βеф · α, де βеф - поверхнева потужність нагрівальних елементів залежить від температури сприймає тепло середовища [Вт / м2], α - коефіцієнт ефективності випромінювання. Низькотемпературним печам (менш 200 - 300 ° С) допустима поверхнева потужність (4 - 6) · 104 Вт / м2.

Використовуючи наведені приклади, ви зможете з легкістю розрахувати необхідні параметри нагрівачів для електропечей, в тому числі муфельних печей при різних схемах підключення. При замовленні електронагрівачів у компанії «ТЕН24» розрахунок ніхромової спіралі, фехралевої спіралі і параметрів пристрою нагріву проводиться спільно з технологом для кожної печі та типу підключення індивідуально.






Рекомендуємо використовувати наступні типи нагрівачів та обладнання:

Дивитися усі статі


.

Задати питання

Логотип ТЕН 24
Для того, щоб купити нагрівачі або надіслати електронною поштою питання заповніть форму або просто зателефонуйте за телефонами