Розрахунок печі опору
Електричні печі опору та електронагрівальні прилади набули широкого поширення в промисловості, транспорті, будівництві,
сільському господарстві, медицині та побуті завдяки таким перевагам, як простота, надійність, відносно високий ККД, екологічність. У промисловості електричні печі опору (ЕПС) застосовують для плавлення кольорових металів, нагрівання металевих виробів перед пластичною деформацією, термообробки, сушіння. ЕПС забезпечують порівняноточний і рівномірний нагрівання при високому ККД та швидкості нагрівання, можуть працювати із захисною атмосферою та вакуумом, що дозволяє застосовувати їх для широкого кола технологічних процесів.
Принцип дії та класифікація ЕПС
Принцип дії ЕПС заснований на виділенні тепла у провіднику, яким протікає електричний струм. Кількісно перетворення електричної енергії на теплову енергію Q у провіднику з активним опором R при перебігу струму I за час t описується законом Джоуля - Ленца в інтегральній формі: Q = I 2 Rt.
За способом виділення тепла розрізняють ЕПС непрямої та прямої дії. В ЕПС непрямої дії перетворення електричної енергії на теплову здійснюється у спеціальному провіднику - нагрівачі, а нагрівання виробу відбувається завдяки теплопередачі теплопровідністю, конвекцією або випромінюванням.
В ЕПС прямої дії струм пропускається безпосередньо через виріб, що нагрівається, яке в цьому випадку має бути провідним, причому перетворення електричної енергії в теплову здійснюється завдяки активному опору виробу.
За кінцевою температурою нагрівання ЕПС поділяють: на низькотемпературні
(До 700 ° С), на середньотемпературні (від700 до 1200 ° С), високотемпературні (вище 1200 ° С).
За призначенням ЕПС бувають плавильні, в яких здійснюється розплавлення матеріалів, і термічні для нагрівання матеріалів у твердому стані.
За режимом роботи розрізняють ЕПС періодичної дії або садочні, в яких цикл роботи послідовно включає завантаження, нагрівання, технологічну витримку, вивантаження, та ЕПС безперервної дії або методичні, в яких процеси завантаження, нагріву, витримки та розвантаження йдуть одночасно в процесі переміщення виробу через піч . Відома велика різноманітність конструкцій ЕПС. Електропечі періодичної дії бувають камерні, шахтні, камерні з висувним подом, ковпакові, елеваторні. ЕПС безперервної дії відрізняються в основному механізмом переміщення виробу в печі і бувають тунельні, штовхальні, з кроком, конвеєрні, рольгангові, карусельні, протяжні.
Серед ЕПС періодичної дії найбільш поширені камерні та шахтні печі завдяки їхній простій конструкції.
У металообробній промисловості часто застосовуються середньотемпературні печі, тому для навчального електричного розрахунку ЕПС обрана електропіч непрямого нагріву, середньотемпературна. термічна, періодичної дії камерної (рис. 1) чи шахтної (рис. 2) конструкції.
Рис.1 Камерна електропіч: а) вид збоку; б) вид спереду
1 – дверцята; 2 - футерування; 3 – виріб; 4 – нагрівач
Мал. 2 Шахтна електропіч (вид збоку): 1 – кришка; 2 - футерування; 3- нагрівач; 4- нагрівається виріб;
Конструктивні елементи ЕПС
Внутрішній простір печі, в який поміщаються вироби, що нагріваються, називається робочою камерою. Робоча камера оточена футерівкою, що забезпечуєтеплову ізоляцію, а деяких випадках герметизацію робочої камери. Нижня частина футеровки називається подом, верхня -зводом, решта - утворює бічні стінки.
До конструкційних елементів печі відносяться також жарозривкі деталі для підтримування або переміщення виробів, що нагріваються в печі (піддони, подові плити, металеві напрямні профільні вироби і т.п.).
Оскільки для середньотемпературних печей різниця температур на внутрішній і зовнішній поверхнях футерування досягає тисячі більше градусів, футерування зазвичай має два шари: вогнетривкий (внутрішній, що утворює робочу камеру) і теплоізоляційний. Температура на межі вогнетривкого та теплоізоляційного шарів повинна бути не більше 600 °С, а температура зовнішньої поверхні печі - не більше 60 °С. Виходячи з цих вимог, вогнетривкий шар викладають з шамотної цегли або блоків з вогнетривкою обмазкою поверхні робочої камери також на основі шамоту. Теплоізоляційний шар виконують зазвичай з діатоміту (вогнетривкість до 800-950 ° С).
Найбільш відповідальною частиною печі є нагрівач. Його найчастіше виконують із дроту або стрічки, матеріалом для яких служать жаростійкі сплави на основі хрому, алюмінію, нікелю, заліза. Конструктивно нагрівач складається з кількох нагрівальних елементів, сформованих у вигляді спіралі або зигзагу та з'єднаних згідно з електричною схемою ЕПС. Спіральні нагрівальні елементи (рис. 3) розміщують або на керамічних поличках на бічних стінках печі, або в пазах керамічних плит, або на керамічних трубках, закріплених у втулках.
Рис 3. Дротовий спіральний нагрівач:
а) загальний вигляд; б) дротяна спіраль у пазу; в) дротяна спіраль на трубках; г) дротяна спіраль на поличці;
s- крок спіралі; Do – середній діаметр спіралі; D – зовнішній діаметр спіралі; d – діаметр дроту; S – відстань між осями сусідніх рядів спіралі; з – ширина паза; h – глибина паза; h' - ширина полички; DT – діаметр трубки; S' - крок поличок; с' - відстань між поличками. Співвідношення, що рекомендуються: s/d = 2,0; Do / d = 6-10; з' = 98 мм; S/Do = 2,0; h/c = 1,5; h ' = 59 мм; Dт/D = 0,5; S/c = 1,5; S' = 105 мм.
Зигзагоподібні нагрівальні елементи (рис. 4 і 5) кріплять на бічних стінках печі за допомогою штирів з хромонікелевого сплаву, на склепіванні - за допомогою гачків, в поду - розміщують у пазах, утворених спеціальною фасонною подовою цеглою.
Рис 4. Дротовий зигзагоподібний нагрівач.
а) загальний вигляд; б) дротяний зигзаг у пазу; в) дротяний зигзаг на поличці;
d – діаметр дроту; е' - півкрок зигзагу; е - відстань між сусідніми провідниками у зигзагу; В', В - розмах зигзагу; D - відстань між сусідніми зигзагами; h – висота паза; з – ширина паза; S – відстань між середніми лініями сусідніх зигзагів; h'- ширина полички; с' - відстань між поличками; S'- крок поличок. Рекомендовані співвідношення: 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; У = 200-400 мм; В = 50 мм; c/d = 10; h' = 59 мм; S/c = 1,25; с' = 98 мм
Рис 5. Стрічковий зигзагоподібний нагрівач:
а) загальний вигляд; б) стрічковий зигзаг у пазу; в) стрічковий зигзаг на поличці;
а б - розміри сторін стрічки; е' - півкрок зигзагу; е - відстань між сусідніми стрічками у зигзазі; В', В - розмах зигзагу; D - відстань між сусідніми рядами зигзагу; з – ширина паза; h – висота паза; S – відстань між середніми лініями сусідніх пазів; h' - ширина полички; с' -відстань між поличками; S'- крок поличок. Співвідношення, що рекомендуються: b/a=10; h'=59 мм; е/b>0,8; h/c=0,3; S/c=l,25; з' = 98 мм; h/c=0,3; D/B=0,25; S'=105мм; = 50 мм; =150-400мм.
Тепловий розрахунок печі опору
Тепловий розрахунок проводять з метою визначення потужності печі і потужностей її теплових зон, а також оптимального розміщення виробів, що нагріваються, оптимальних розмірів печі. При проектуванні ЕПС періодичної дії зазвичай задають або її одноразове завантаження, або годинну продуктивність. Конструюють пічну камеру, визначають її розміри та параметри, враховуючи такі умови.
> Внутрішні розміри камери печі повинні бути по можливості малі та відповідати розмірам завантаження; наявність шкідливого, невикористаного простору в камері печі призводить до збільшення її зовнішніх розмірів та теплових втрат. З іншого боку, внутрішні розміри камери печі повинні бути такими, щоб садочку було зручно завантажувати і виймати з печі і в камері міг розміститися робітник, який проводить ремонт печі.
> Зовнішні габарити печі визначаються її внутрішніми розмірами та товщиною кладки. Кладка повинна забезпечувати низьку температуру кожуха печі (не вище за 60 °С при температурі навколишнього повітря 20 °С) і, отже, малі теплові втрати печі.
> Розташування нагрівальних елементів у печі має визначатися переважно технологічними вимогами. У печах, де потрібна висока рівномірність нагріву, бажано застосовувати розташування нагрівальних елементів на склепінні, в поду та на бічних стінках пічної камери, а іноді на задній стінці та дверцятах печі. Розташування нагрівальних елементів у печі повинно відповідати розташуванню в ній виробів для того, щоб забезпечити найкращі умови теплопередачі. У великихпечі доцільно створювати кілька теплових зон. Розбивка печі на теплові зони значно покращує керування піччю та полегшує підтримку в ній рівномірної температури, проте при цьому одночасно зростає вартість електроустаткування.
Для теплового розрахунку має бути заданий тепловий цикл роботи печі. Незважаючи на те, що для кожного конкретного технологічного процесу розраховують індивідуальний цикл роботи печі, можна виділити три узагальнених види циклу (рис. 6), де tН, tВ, t0, tВ.З, - час відповідно нагріву, витримки, охолодження, простою при розвантаження та завантаження; t'І,t"І, t'"І - температура садки відповідно на початку нагріву, в кінці нагріву і після охолодження). Перший вид циклу (рис.6а) використовують для нагрівання тонкостінних виробів з високим коефіцієнтом теплопровідності, другий (рис. 6б) – для гарту, відпустки, нормалізації, термохімічної обробки, третій (рис. 6в) – для відпалу металів, кераміки, процесу спікання отримання монокристалів. Для подальшого розгляду приймаємо третій вид циклу, тому що перші два можуть бути отримані з нього спрощенням.