Работа добавлена на сайт TXTRef.ru: 2019-04-20

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет – УПИ”

расчет свободно излучающих неметаллических

нагревателей

Методические указания   к  практическим   занятиям по дисциплинам: “Оборудование термических цехов”, “Технологическое       оборудование,      механизация    и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов”, "Проектирование предприятий, цехов и участков по производству обработке и переработке новых материалов" и “Конструирование механизмов и приборов”, к курсовому и дипломному  проектированию   для   студентов всех    форм   обучения  специальностей 150105, 150601, 150702, магистров и бакалавров по направлению 150600

Екатеринбург

2007

УДК  621.78(07)

Составитель Ю.Г.Эйсмондт

Научный редактор проф., доктор. техн. наук  Ю.В. Юдин

расчет свободно излучающих неметаллических нагревателей: Методические   указания  к   практическим   занятиям по дисциплинам: “Оборудование термических цехов”, “Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов”, "Проектирование предприятий, цехов и участков по производству обработке и переработке новых материалов"  и “Конструирование механизмов и приборов”,  к   курсовому   и   дипломному  проектированию / Ю.Г.Эйсмондт. Екатеринбург: УГТУУПИ, 2007, 13 с.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения металлургических специальностей и рекомендуются для использования на практических занятиях, при курсовом и дипломном проектировании.  Приведены характеристики неметаллических электропроводящих материалов и принципы конструирования из них нагревателей электрических печей сопротивления. В теоретической части приведены методики расчета карборундовых (КЭН) и дисилицид молибденовых (СМ) свободно излучающих нагревателей.

Библиогр. : 4 назв. Рис. 2. Табл. 1, Прил. 1.

Подготовлено кафедрой “Термообработка и физика металлов”.

 ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет – УПИ”, 2007

1. Методика расчета неметаллических нагревателей

Наиболее широкое применение неметаллические нагреватели нашли в лабораторных и сравнительно небольших по объему рабочей камеры промышленных печах с рабочей температурой tпеч1250 0С. В газонаполненных печах с воздушной или контролируемой (КА) атмосферой в интервале температур 12001400 0С чаще всего используются нагреватели из карбида кремния SiC (карборунда), получившие обозначение КЭН. Реже применяются нагреватели из дисилицида молибдена MoSi2, которые обозначаются СМ и могут работать до температуры 1600 0С. В печах вакуумных и с науглероживающей или нейтральной КА применяются графитовые нагреватели в виде стержней или полотна (ткани).

Все неметаллические нагреватели рассчитываются по методике свободно излучающих нагревателей, но с некоторыми дополнениями и изменениями, учитывающими особенности конструкции, материала и способа изготовления неметаллических нагревателей.

Нагреватели  КЭН выпускаются (по гост 1613976) нескольких типов конструкций, но в практике электропечестроения  наибольшее применение нашли:

КЭН А — трубчатые цельные с утолщенными выводами (рис. 1, а);

КЭН вп — сплошные с приставными выводами, пропитанными сплавом металлов (рис. 1, б).

Карборунд обладает высокой прочностью при сжатии при рабочей температуре 1200 0С. Он имеет самое высокое значение удельного сопротивления при комнатной температуре  20=3·10-3 мкОм·м, а при рабочей температуре  12001450 0С t=(1,01,4)·10-3 мкОм·м. Это, включая рабочий интервал температур,   главные  достоинства нагревателей КЭН.

К их основным недостаткам относятся: низкая прочность при разрыве и изгибе, хрупкость и быстрое увеличение сопротивления нагревателя в процессе эксплуатации за счет окисления (старения) при работе в окислительной (включая воздух) среде. Выпускаемые промышленностью нагреватели по условиям их производства имеют большой разброс начального сопротивления в пределах  Rнач  = Rопт · (0,71,3) Ом при Rопт = 14 Ом, что надо всегда учитывать при выборе электрической схемы их включения. На вывод каждого нагревателя несгораемой краской наносится значение Rнач.

2. Порядок расчета карборундовых нагревателей

 Исходные данные для расчета:

Установленная мощность печи (зоны) — N, кВт; напряжение — U, В; Fм  и Fн — соответственно активная тепловоспринимающая поверхность садки  металла и теплоизлучающая поверхность стенок рабочей камеры печи (зоны), на которых размещены нагреватели — м2; м и н — соответственно степень черноты нагреваемого металла и самих нагревателей (н практически всегда равна 0,8, м при нагреве в воздушной  и другой окислительной атмосфере принимается также 0,8, а  в защитной — выбирается по справочнику);  tм  и tн  —  соответственно конечная температура металла и нагревателей, оС; n — число нагревателей в печи (зоне), обычно принимают его кратным 3, тогда N1 = N/n, кВт — мощность одного нагревателя.

Цель расчета: выбрать тип, размеры и количество нагревателей, схему их включения, напряжение U и  понижающий трансформатор.

Порядок расчета.

1. Конструктивно определяется число и схема размещения нагревателей, что позволяет найти длину рабочей части lраб и lвыв  в соответствии с размером стенки рабочей камеры, вдоль которой устанавливаются нагреватели, и толщиной другой стенки, через которую проходят их выводы. Обычно принимают lвыв = Sст + (50100) мм. По каталогу (табл. П.2) для принятых lраб и  lвыв выбирается типоразмер нагревателя, т.е.  диаметр рабочей части dраб и выводов dвыв. При этом шаг между нагревателями должен отвечать соотношению:

 е4· dраб  для КЭН А  и  е3· dраб  для КЭН БС и других моделей.

2. Исходя из схемы размещения определяется общее число нагревателей n и мощность одного нагревателя N1 = Nуст / n кВт.

3. По заданной tпеч по графику на рис. 1,в находится tн и рассчитывается удельная поверхностная нагрузка идеального нагревателя wид по формуле

, Вт/см2,                           (1)

где Спр  рассчитывается  по формуле

, Вт/(м2·К4),                                       (2)

где    н  —  степени  черноты нагревателя;

Fн  —  поверхность  стенок  печи,   на   которых   размещены нагреватели.

Для н = м = 0,8 и Fн / Fн  0,8 принимают Cпр = 3,9 Вт/(м2·К4).

Связь реально допустимой удельной поверхностной мощности wд с идеальной wид выражается зависимостью

 wд = wид · эф · г · с · р =  wид ·  ,                                             (3)

где   эф , г , с , р — поправочные коэффициенты.

Все стержневые нагреватели (КЭН и СМ) рассматриваются как ветви проволочного зигзага, поэтому принимается  эф =0,68, а затем определяются остальные коэффициенты  г , с  и р.

Значения  г определяют   по табл. 1. Шаг между нагревателями е рассчитывается с учетом того, что вертикальные нагреватели располагаются вдоль двух боковых стенок печной камеры, горизонтальные – вдоль свода и пода в камерных печах или вдоль двух противоположных боковых стенок. Поэтому принятое, желательно четное, число нагревателей делится пополам, и шаг е находится по формуле:

е = L/(0,5n + 1) для камерных печей или е = Н/(0,5n + 1) для шахтных.   (4)

Для стержневых нагревателей типа КЭН А с утолщенными выводами (dВЫВ = 1,7 d) принимать e/d   3,5, а для остальных типов КЭН ВП  и др., у которых dВЫВ = d, можно принимать любые значения e/d  по табл. 1 с учетом того, что жирным шрифтом выделены значения г для оптимальных межвитковых расстояний, а курсивом — допустимые (с повышенным удельным расходом материала).

Таблица 1

Выбор коэффициента шага  г

с —  коэффициент, учитывающий зависимость wд от Спр, когда степень   металла м  не  равна 0,8 или соотношение Fм / Fн < 0,8. Степень черноты нагревателя н  всегда принимается  0,8…0,9. с  рассчитывается по

 с = Спр/3,9.                                                                                   (5)

р  — коэффициент соотношения тепловоспринимающей Fм и теплоизлучающей поверхностей Fн, учитывает влияние размеров садки и зависит от отношения Fм / Fн. при Fм / Fн 0,8 принимать р = 1, а при Fм / Fн 0,3  нагреватель “не видит” садку и надо рассчитывать систему “нагреватель — кладка” с  р =1.

р = 0,4 + 1,2·( Fм / Fн — 0,3)      при  0,3  Fм / Fн  0,8;                 (6)

Рис. 1. Нагреватели  из   карбида  кремния:     а — типа  КЭН А, б — типа КЭН вп, в — зависимость tн от tпеч, вида регулирования температуры и печной атмосферы: 1 — непрерывное  регулирование (нр)  в  воздушной среде (Вс); 2 — позиционное регулирование (ПР) в ВС; 3 — НР в контролируемой атмосфере (с Н2 и СН4);  4 — ПР в КА  (с Н2 и СН4)

Затем по формуле (3) рассчитывается wд, которая не должна превышать 5 Вт/см2 при tн  1450 0С и tпеч 1400 0С.

4. Проверяется правильность выбора числа и типоразмера нагревателя:

N1 = 10-3 · wд · fраб , кВт,                                                                     (7)

где fраб — теплоизлучающая поверхность рабочей части нагревателя, см2.

Рис. 2. Нагреватели из дисилицида молибдена СМ:  а — с прямыми выводами; б — с отогнутыми выводами; в — зависимость tн от tпеч и способа регулирования температуры. 1 — позиционное регулирование; 2 — непрерывное регулирование

При несовпадении полученного по формуле (6) значения N1 с ранее  принятым (см. п. 2) более чем на 10% необходимо или изменить число нагревателей и соответственно N1, или, если есть такая возможность, выбрать новый  нагреватель с другим dраб и повторить расчет, начиная с п. 1.

5. При определении электрической схемы включения нагревателей необходимо в группу, состоящую из нескольких нагревателей, включенных параллельно, или последовательно, или звездой, или треугольником, подбирать нагреватели с одинаковым начальным сопротивлением. Дальнейший расчет проводится для трех значений R: минимального начального Rмин, максимального начального Rмакс и состаренного нагревателя Rст = Rмакс · (2,53,0), для каждого из которых рассчитывается  соответствующее значение напряжения по

, В,                                                      (8)

где   N гр — суммарная расчетная мощность комплекта нагревателей в группе, кВт;

 R гр — суммарное расчетное сопротивление  комплекта нагревателей в группе, Ом;

 kU — коэффициент, принимаемый kU=3 при схеме включения на звезду  и kU =1 в остальных случаях.

При включении трех нагревателей по схеме звезды или треугольника в формулу (7) подставляются мощность и сопротивление одного нагревателя.

6. По разнице Uш = Uмакс  Uмин определяется шаг регулирования напряжения, по  U = Uст  Uмин — минимально необходимый диапазон регулирования напряжения на выходной ступени понижающего трансформатора, который выбирается по таблице П.3. На этом расчет заканчивается.

3. Расчет нагревателей из дисилицида молибдена

Нагреватели из дисилицида молибдена СМ (рис. 2) отличаются от карборундовых более высокой предельной температурой применения (до 1600 0С), но имеют еще один и весьма существенный недостаток: высокую ползучесть при рабочих температурах. Удлинение достигает 25% и более.

Поэтому, в отличие от карборундовых, нагреватели СМ всегда устанавливаются в печи вертикально выводами вверх. Расчет нагревателей СМ проводится по изложенной выше схеме с учетом того, что все выпускаемые промышленностью нагреватели имеют сечение dраб=6 мм, а dвыв=12 мм.  Их сортамент приведен в табл. П.2.

СПИСОК  литературы

1. Эйсмондт Ю.Г., Корягин Ю.Д.  Термическое оборудование и его расчет. в 4 кн.  Кн. 1. Оборудование для нагрева: Учебное пособие. Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1996. 141 с.

2. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. А.П. Альтгаузена.  М.: Энергия, 1980.  416 с.

3. Материалы для  электротермических установок: Справочное пособие / Большакова Н.В., Борисанова К.С., Бурцев В.И. и др.; Под. ред. М.Б.Гутмана. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 296 с.

4. Рубинчик Л.Е. Электропечи с нагревателями из карбида кремния. М.:  Энергия, 1975. (Бка электротермиста. Вып. 57). 96 с.

приложение

Таблица П.1

 Сортамент силицид молибденовых нагревателей СМ [2, 3]

Таблица П.2

Сортамент  карборундовых нагревателей КЭН [2,3]

Продолжение табл.2

Окончание табл. П.2

Примечание. 

1. По сопротивлению все выпускаемые нагреватели комплектуются в две группы: Н — низкоомные и В — высокоомные. Расчет проводится  или для одной из групп, или для каждой группы  выбранного типоразмера нагревателя.

2. В таблицах П.1 и П.2  приняты условные обозначения:

dраб — диаметр рабочей части нагревателя;

lраб  — длина рабочей части нагревателя;

lвыв — длина  выводов нагревателя;

Fраб — поверхность излучения;

N1    — мощность нагревателя;

Rt    — сопротивление при разогреве до рабочей температуры;

U     — напряжение.

Таблица П.3

Автотрансформаторы для ЭПС с карборундовыми нагревателями [4]

Примечание. Выбор трансформатора производится по рассчитанным значениям U  и Uш (см. п. 6 на с. 8).

расчет свободно излучающих неметаллических

нагревателей

Составитель Эйсмондт Юрий Георгиевич

Редактор  

Компьютерный набор  Эйсмондт Ю.Г.

Издательство УГТУ-УПИ

620002, Екатеринбург, ул. Мира 19