Расчет проволочного нагревателя для печи

21.05.2018

Компания Электронагрев производит нагреватели в основе которых используются проволочные или ленточные (нихромовые/фехралевые) греющие элементы. Сегодня мы производим нагреватели проволочного типа для высокотемпературных печей сопротивления. К устройству нагрева при этом предъявляется следующие требования:

• жаропрочность;

• низкий коэффициент сопротивления;

• высокое удельное сопротивление;

• механическая прочность;

• устойчивость к перепадам температур.

Наиболее часто для печей сопротивления применяют нихромовые сплавы по составу Х20Н80, Х20Н80-Н и пр, фехралевые сплавы Х23Ю5Т, Х23Ю5 и пр. Нихромовые и фехралевые нагреватели имеют технологические и производственные отличия по применению, монтажу и эксплуатации. 

Просчитать параметры проволочного нагревателя для термопечей можно по нескольким примерам, в основе которых лежат разные задачи и уже имеющиеся характеристики печной установки и фазы тока. Изначально, приступим к самой примитивной задаче, вычислению таких характеристик как диаметр и длина спирально проволочного нагревателя для печи, для которой уже определена рабочая мощность.

Пример расчета необходимых параметров нихромового нагревателя проволочного типа с маркировкой Х20Н80 по предоставленным параметрам:

Мощность нагрева Р = 1200 Вт;

Сетевое напряжение питания U = 230 В;

Температурная подача нагревательного элемента - 500 °C.

Расчет:

1.       Для начала нужно вычислить силу тока проходящую или расчетную по формуле:

I=P/U=1200/230=5.2 А,

2.       После этого нужно рассчитать сопротивление нагревателя:

R=U/I=230/5.2=44 Ом.

После расчета силы тока высчитываем необходимый диаметр проволоки. Для нагревательного элемента, по которому проходит сила тока более 6 Ампер, полагаясь на табличные данные, проволока должна иметь диаметр сечения 0,55 мм. Поэтому, по рассчитанным нами параметров силы тока в 5.2 А и рабочей температуры в 800°C греющая проволока должна иметь диаметр не менее 0,6 мм, а поперечное сечение ее составлять площадь 0,283 м.кв.

Основное правило расчета диаметра проволочного нагревателя – это подбор проволоки, которая имеет силу тока не меньше расчетной по заданной формуле. Но также стоит помнить, что для минимального расходования нагревающего материала необходимо выбрать проволочный элемент с ближайшими данными по силе проходящего тока.

Далее делаем вычисления по длине нагревательного элемента:

R=p ⋅ I/S

И, соответственно, высчитаем длину самого проволочного нагревателя:

l = R • S / ρ = 44 • 0,283 / 1,11 = 9.43 м.

В предоставленном примере расчета функцию нагревательного элемента выполняет проволока из сплава нихрома диаметром 0,6 мм. По ГОСТу 12766.1-90 значение удельного электросопротивления нихромовой проволоки маркой Х20Н80 имеет следующие показатели:

1,1 Ом • мм2 / м (ρ = 1,1 Ом • мм2/ м).

Результатом вычислений выявляет, что требуемая длина нихромовой проволоки составляет 9.43 м при диаметре - 0,6 мм.

Расчет диаметра и длины для проволочного нагревателя нихромового типа на электропечь (подробно)

Следующие расчет параметров считается более усложненным. На этом этапе мы уже учитываем дополнительные технические особенности нагревателей. Расчет будет проводиться на примере электропечи. В качестве исходных данных возьмем внутренние параметры печной установки.

1. Первое, что необходимо сделать - посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 520 мм, d = 420 мм и l = 420 мм (высота, ширина и глубина соответственно). Таким образом, получаем объем V = h • d • l = 520• 420 • 420 = 92 • 10⁶ мм

2. Далее необходимо определить мощность, которую должна выдавать печь. Мощность определяется эмпирическим правилом. Электрическая печь объемом 30 – 100 литров обладает удельной мощностью 100 Вт/л. Мощность нагревателя для такой установки должна высчитываться по следующей формуле: P = 100 • 92 = 9200 Вт = 9.2 КВт.

Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели стандартно производят однофазными. При больших мощностях, чтобы обеспечить равномерную загрузку сети нагреватели создают трехфазными.

3. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель по формуле I = P / U.

Чтобы развязать данную производственную задачу можно использовать один из двух способов подключения:

К бытовой однофазной сети - U = 230 В;

К промышленной сети трехфазного тока - U = 230 В (между нулевым проводом и фазой) или

U = 380 В (между любыми двумя фазами тока).

Однофазная сеть (бытовая).

I = P / U = 9200/230 = 40 А - вычисляем ситу тока, который проходит через нагреватель.

Далее нам нужно узнать сопротивление нагревателя действующего в печи сопротивления.

R = U / I = 230/40= 5.75 Ом.

Промышленная сеть трехфазного тока

В данной сети нагрузка тока в равномерном порядке распределяется на все имеющиеся фазы, а именно 9.2 / 3 = 3.1 кВт на каждую фазу. Исходя из этого, мы понимаем, что в наличии у нас должно быть три нагревателя. Затем следует выбрать способ, по которому произведем подключение. Существует два метода подключения нагревателей в решении данной задачи: «ЗВЕЗДА» или «ТРЕУГОЛЬНИК».

При подключении по типу “ЗВЕЗДА” нагреватель подключается между фазой и нулем. Напряжение на выводах подключеня нагревателя будет U = 230 В.

Ток, проходящий через нагреватель –

I = P / U = 3100 / 230 = 13.5 А.

Сопротивление одного нагревателя -

R = U / I = 230 / 13.5 = 17.04 Ом.

При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” нагреватель подключается между двумя фазами. Напряжение на концах нагревающего элемента будет составлять U = 380 В.

Ток, проходящий через нагреватель -

I = P / U = 3100 / 380 = 8.16 А.

Расчет сопротивления одного из трех нагревателей -

R = U / I = 380/ 8.16 = 46.6 Ом.

Вычислив сопротивление необходимо подобрать диаметр и длину проволоки. Но, перед тем как приступить к решению этой задачи придется найти значения удельной поверхностной мощности нагревателя, т.е. мощности, которая выделяется с единицы площади. 

На величину поверхностной мощности устройства производящего нагрев влияют несколько факторов:

• Изначальная температура объекта обогревания;

• Устройство нагревателя;

• Параметры нагревательного устройства.

Для каждого материала зависимо от требуемой термической обработки существует свое определенное допустимое значение поверхностной мощности. Эти значения можно определить с помощью специальных таблиц или графиков.

Для печей с подачей высоких температур (более 700 – 800°С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м2, равна βдоп = βэф • α, где βэф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт / м2], α – коэффициент эффективности излучения.

βэф выбирается с помощью специальной таблицы.

Если печь низкотемпературная (температура менее 200 – 300°С), то допустимую поверхностную мощность можно считать равной (4 - 6) • 104 Вт/м².

Предположим, что температура нагревателя 900 °С, и хотим нагреть заготовку до температуры 800°С. Тогда с помощью таблиц подбираем βэф = 2.65 Вт/см2, α = 0,2, βдоп = βэф • α = 2.65 • 0,2 = 0.53 Вт/см2=0.53 • 10⁴ Вт/м2.

После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину. Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле:

Длину проволоки можно определить по следующей формуле:

Полагаясь на уже имеющиеся данные можно с легкость определить подключения к сети однофазного и трехфазного тока. Можно сразу обозначить, что для «Звезды» требуется проволока с большим диаметром, чем для «Треугольника», чтобы обеспечить мощность в 9.2 кВт. При этом длина проволоки при подключении по типу «Звезда» должна быть меньшей, чем для типа «Треугольник», а требуемая масса наоборот больше.

Для эксплуатации рассчитанной нихромовой проволоки из нее нужно создать спираль. Диаметры спирали нагревателя принимаются равными:

D = (7 ÷ 10) ⋅ d - для сплавов из никеля и хрома.

D = (4÷6) ⋅d - для хромоалюминиевых сплавов.

Для устранения перегревов, спираль нужно растянуть так, чтобы расстояние между витками было в полтора раза больше, чем имеющийся диаметр самого нагревательного элемента. Также стоит помнить, что кроме проволоки, в качестве нагревателей можно использовать и ленту. Кроме выбора размера проволоки, стоит учитывать материал нагревателя, тип, расположение.