Проектирование предприятий цехов и участков по производству обработке и переработке новых материалов



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: УГТУУПИ, 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 tпеч1250 0С. В газонаполненных печах с воздушной или контролируемой (КА) атмосферой в интервале температур 12001400 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 1613976) 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  12001450 0С t=(1,01,4)·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 · (0,71,3) Ом при Rопт = 14 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 + (50100) 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 dраб  для КЭН А  и  е 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

e/d

 г

e/d

г

e/d

 г

e/d

 г

2,3

0,92

3,0

1,04

3,7

1,13

4,8

1,20

2,4

0,94

3,1

1,06

3,8

1,14

5,0

1,21

2,5

0,96

3,2

1,07

3,9

1,15

5,5

1,23

2,6

0,97

3,3

1,09

4,0

1,16

6,0

1,25

2,7

0,99

3,4

1,10

4,2

1,17

6,5

1,26

2,8

1,01

3,5

1,11

4,4

1,18

7,0

1,27

2,9

1,03

3,6

1,12

4,6

1,19

7,5

1,28

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 · (2,53,0), 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. (Бка электротермиста. Вып. 57). 96 с.


приложение

Таблица П.1

 Сортамент силицид молибденовых нагревателей СМ [2, 3]

 lраб, мм

lвыв ,

мм

Fраб,

см2

 N1,

Вт

Rt,

Ом

U,

В

150

150; 230; 300; 400; 500

61,70

11001270

0,0480,065

7,89,2

180

150; 180; 250; 300; 400; 500

72,94

12701460

0,0560,074

9.210,4

200

200; 350

80,45

14301510

0,0730,077

10,210,8

225

560

89,86

1860

0,085

13,3

250

180; 200; 300; 350; 400

99,26

17201830

0,0880,094

12,413,2

315

180; 250; 300; 350; 400; 500

123,70

21302300

0,1090,117

15,216,4

400

250; 400; 500; 560; 590; 610

155,66

26803400

0,1180,132

19,223,2

Таблица П.2

Сортамент  карборундовых нагревателей КЭН [2,3]

dраб,

lраб,,

lвыв.

Fраб,

Сопротивление Rt, Ом

мм

мм

мм

см2

группы Н

группы В

1

2

3

4

4

6

КЭН А

8

100

85; 130

25

1,201,80

1,852,25

8

150

60; 85; 110

38

1,652,65

2,703,30

8

180

60; 85; 110; 150

45

2,103,30

3,354,05

8

200

100; 150

50

2,253,65

3,704,50

8

250

60; 100; 150

63

2,904,65

4,705,70

8

300

150

75

3,605,80

5,857,15

12

250

250

94

1,502,40

2,453,00

14

200

250; 350

88

1,001,20

1,251,95

14

250

250; 350

110

1,151,35

1,402,20

14

300

250; 350

132

1,251,55

1,602,50

14

400

250; 350

176

1,702,10

2,153,45

Продолжение табл.2

1

2

3

4

4

6

18

250

250; 350; 400

141

1,001,20

1,251,95

18

300

250; 350

170

1,151,35

1,402,20

18

350

400

198

1,301,60

1,652,65

18

400

250; 350

226

1,451,75

1,802,90

18

500

350

283

1,852,25

2,303,70

18

600

150; 250

339

2,252,75

2,804,40

25

400

300; 400

314

0,951,14

1,202,00

КЭН Б

12

190

45

72

2,103,15

3,203,90

12

230

45

87

2,503,70

3,754,55

16

230

45

116

1,852,75

2,804,40

32

560

75

563

1,302,00

2,052,55

КЭН БС

25

300/70

230; 340

235

0,851,15

1,201,50

25

400/70

230; 340

235

0,851,15

1,201,50

КЭН ВП

18

200

400

113

0,700,90

0,951,15

18

250

400

141

0,851,05

1,101,30

18

250

500

141

0,951,15

1,201,50

18

300

400

170

1,051,25

1,301,60

18

350

400

198

1,201,50

1,551,90

18

400

400

226

1,351,65

1,702,10

18

400

450

226

1,401,70

1,752,15

18

500

400

283

1,652,05

2,10 2,60

18

600

350

339

1,952,35

2,402,90

18

600

400

339

2,002,40

2,452,95

18

600

450

339

2,002,45

2,503,10

18

800

400

452

2,603,20

3,253,95

18

800

500

452

2,703,30

3,354,05

25

250

400

196

0,360,44

0,450,55

25

300

400

235

0,410,50

0,55 0,65

25

300

450; 500

235

0,430,50

0,550,65

25

350

400

275

0,460,55

0,600,70

25

400

450; 500

314

0,550,65

0,700,80

25

450

400

353

0,600,70

0,750,85

Окончание табл. П.2

1

2

3

4

5

6

25

500

400

392

0,650,75

0,800,90

25

600

400; 450

471

0,700,90

0,951,15

25

700

400

549

0,801,00

1,051,25

25

800

250

628

0,901,10

1,151,35

25

800

400

628

0,951,15

1,201,45

25

800

500

628

1,001,20

1,251,55

30

300

400

283

0,350,43

0,440,55

30

350

400

330

0,390,48

0,490,60

30

400

400; 450

377

0,430,55

0,550,65

30

500

400

471

0,500,60

0,650,75

30

600

300

565

0,550,65

0,700,80

30

600

400; 450

565

0,600,70

0,750,95

30

1000

400

942

0,901,10

1,151,35

30

1000

500

942

0,951,15

1,201,45

30

1200

400

1130

1,101,30

1,351,65

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]

Тип автотран-

Uвход,

Iвых,

Числитель—мощность по ступеням, кВА

Масса,

форматора

В

А

Знаменатель— напряжение по ступеням, В

кг

АТП—

6/250 ПК

380

49

4

51

4,5

55,6

5,3

62,5

6

70

6

79

6

89

6

98,5

6

110

230

13,8

6

115

6

125

6

142

6

158

6

178

6

201

6

233

6

250

АТП—

10/250 ПК

380

83

6,5

51

7,5

55,8

8,5

62,5

10

70

10

79

10

89

10

98,5

10

110

280

23

10

115

10

125

10

142

10

158

10

178

10

201

10

233

10

250

АТП—

16/250 ПК

380

125

8,5

45

9,5

49

11

54

12

59

14

66

16

74

16

86

16

100

300

37

16

113

16

122

16

134

16

147

16

164

16

186

16

214

16

250

АТП—

25/250 ПК

380

195

13

45

15

49

17

54

19

59

21

66

25

74

25

86

25

100

320

58

25

113

25

122

25

134

25

147

25

164

25

186

25

214

25

250

ЭАОС—

2/0,5

25

0,05

2

0,10

4

0,15

6

0,20

8

0,25

10

0,30

12

0,35

14

0,40

16

24

220

9,1

0,45

18

0,50

20

1,25

50

1,50

60

1,75

70

_2_

80

_2_

90

_2_

100

2_

110

_2_

120

_2_

140

_2_

160

_2_

180

_2_

200

_2_

220

__

ЭАОС—

4/0,5

50

0,1

2

0,2

4

0,3

6

0,4

8

0,5

10

0,6

12

0,7

14

0,8

16

60

220

18,2

0,9

18

_1_

20

2,5

50

_3_

60

3,5

70

_4_

80

_4_

90

_4_

100

4_

110

_4_

120

_4_

140

_4_

160

_4_

180

_4_

200

_4_

220

__

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

Другие работы

ии во многом зависит от правильной работы его...


К экономическим условиям от которых зависят результаты хозяйствования относится обеспеченность предприятий земельными и трудовыми ресурсами осно...

Подробнее ...

На тему- Порівняльна характеристика ділового ...


У 1728 за Петра II до Москви був перенесений імператорський двір який знаходився тут до 1732 року коли Анна Іванівна повернула його назад в Санк...

Подробнее ...

Тема 1- Организационноправовые основы охраны ...


План чтения лекции по истории органов внутренних дел Тема 1: Организационноправовые основы охраны общественного порядка и борьбы с преступностью...

Подробнее ...

.Общая информация- географические экологическ...


Общая информация: географические, экологические и социально-экономические условия в суб регионе       5 1.  Статус и риск опустынивания в суб ре...

Подробнее ...