Печь электросопротивления

В зависимости  от мощности печи применяют линейную, однофазную, треугольник и звезда схемы включения нагревателей в трехфазную сеть.

При линейной схеме  нагреватель присоединяется к двум линейным проводам источника электроэнергии с линейным напряжением U_л. Величина линейного тока I_л, проходящего через нагреватель с сопротивлением R, полная мощность Р и линейная мощность Р_л равны:

 

P_л = P = Uл *U_л/R                                                  (2.3)

где   Uл – Линейное напряжение, В;

R – Сопротивление, Ом;

  Рл – фазное мощность, Вт;

  Iл – линейный ток, А.

При однофазном включении нагреватель присоединяется к нейтрали и одному из линейных проводов и находится под фазным напряжением U_ф, при фазном токе I_ф и фазной мощности Р_ф равными:

U_ф = U_л/                                                      (2.4)

 I_ф = I_л = U_ф/R ,                                                 (2.5)

P_ф = Р = I_фUф,                                                 (2.6)

При схеме треугольник  и симметричной нагрузке с сопротивлением нагревателя в фазе R соответствующие  параметры равны:

             U_ф = U,                                                          (2.7)

   I_ф = U_ф/R,                                                         (2.8)

                                                         I_л = I_ф

,                                                      (2,9)

 P_ф = U_фIф ,                                                      (2.10)

P = 3Pф ,                                                        (2.11)

При симметричной звезде схема характеризуется следующими соотношениями:

U_ф = U_л/ _,                                               (2.12)

I_ф = U_ф/R ,                                                   (2.13)  

                                                            I_л = Iф,                                                        (2.14)

 P_ф = U_фI_{ф ,}                                                                                 (2.15)

P = 3*Pф                                                    (2.16)

Маломощные  электрические печи (до 5 кВт) подключают к сети по двухпроводной схеме, т.к. такая не очень большая нагрузка обычно не приводит к существенной перегрузке одной из фаз общей трехфазной сети. Более мощные потребители, во-избежании неравномерности распределения нагрузим по фазам (перекоса, асимметрии фаз), запитываются по трехпроводной схеме.

Регулирование температуры обеспечивается применением  регулировочных трансформаторов, изменяющих рабочее напряжение и силу тока нагревательных элементов. Выбор типа трансформатора определяется схемой включения нагревателей и предельными значениями напряжения и тока нагрузки.

В связи с  тем, что неметаллические нагреватели  имеют низкую термостойкость и чувствительны к быстрому нагреву, вывод печи на рабочий изотермический режим должен быть плавным, с постепенным повышением напряжения и контролем параметров питания.

Подключение печи сопротивления с регулировочным трансформатором к общей сети осуществляется через электрический автомат включения-выключения, который, кроме того, защищает сеть от перегрузки или короткого замыкания, автоматически отключает потребитель, если ток превысит максимально допустимый. Однофазные автоматы устанавливаются на одном линейном проводе сети, трехфазные - имеют трехпроводный вход-выход и могут подключаться к одно- и трехфазной подводке.

 

3 РАСЧЕТ КАМЕРНОЙ ПЕЧИ

 

Выбираем способ перекрытия загрузочного окна и вводим новые обозначения параметров.

Выбираем материал огнеупора, предельная температура использования которого Т6 больше или равна Т1. Выбираем материал теплоизоляции с таким расчетом, чтобы его предельная температура использования Т7 была близка к Т6. Исходя из конструктивных методом, задаемся толщиной огнеупора.

3.1 Расчет футеровки  корпуса

   При выборе материалов  для футеровки корпуса и дверцы  в данной работе учитывались  следующие критерии: температура  на наружной поверхности должна  соответствовать требованиям (в  случае данного проекта +70 °С), толщина корпуса должна была быть по возможности минимальна; вес и стоимость также должны были быть оптимальны.

В качестве первого слоя футеровки (огнеупора) был выбран наименее теплопроводный для диапазона данной рабочей  температуры, термостойкий и дешевый материал –шамот легковес А.

    Шамот является самым  распространенным и дешевым огнеупором  и в совокупности с каолиновой  ватой при рабочей температуре в 1300 градусов является одним из наилучших огнеупором.  При выборе теплоизоляции было рассмотрено несколько вариантов (каолиновая и шлаковая минеральная вата). Однако при столь высокой рабочей температуре 1100 градусов выбор каолиновой ваты является наиболее оптимальным. При этом она в два раза легче шлаковой минеральной ваты. Расчет показывает, что толщина огнеупора и теплоизоляции соответственно будут равны 0,070 м и 0.095 м.

 

Таблица 2 – Материал для футеровки корпуса

Материал	Предельная температура использования, ºС	Коэффициент теплопроводности, l=a+bt		Плотность,       кг/ м3
		a	b
Шамот – легковес А	1300	0,314	-0,000241	2500
Каолиновая вата	1100	0,03	0,0002	100

3.2Расчет дверцы

 

При расчете  дверцы температуру поверхности  возьмем  равную  температуре  поверхности  печи (в данном  случае температура на наружной поверхности  дверцы возьмем не более 70 °С), однако, размеры остаются главным критерием подбора. Также учтем, что желательно использование меньшего количества огнеупорного материала. Будем использовать в дверце те же огнеупор и теплоизоляцию, что и при футеровке корпуса. Оптимальная толщина огнеупора 0,050 м; толщина теплоизоляции 0,121 м. При данных размерах  температура на поверхности дверцы будет примерно 70 ^оС.

Таблица 3 – Тепловой расчёт

Футеровка Корпуса						Футеровка дверцы
Огнеупор			Теплоизоляция			Огнеупор		Теплоизоляция
а1: 0,314			a2: 0,03			a3: 0,314		a4: 0,03
b1: -0,00024			b2: 0,0002			b3: -0,00024		b4: 0,0002
x1: 0,07546			x2: 0,10496			x3: 0,06383		x4: 0,1146
h1: 0,07			h2: 0,096			h3: 0,05		h4: 0,121
T6: 1300, °С			T7: 1100, °С			T8: 1300, °С		T9:1100, °С
F0: 2,2434			Ft: 3,26968			F4: 0,25		F4: 0,25
F1: 1,85	F2: 2,6368			F3: 3,90255		T4: 70, °С		T5: 776,09, °С
T2: 679,62, °С			T3: 70, °С			y2: 13,3745
y1: 13,3745						q2: 668,83334		Q2: 167,20833, Вт
q1: 668,725			Q1: 1799,03139 Bт
Q3: 3932,47945, Вт					Q: 5898,71918, Вт		P: 5,89872, кВт
L1: 0,5		L2: 0,5			L3: 0,8	L4: 0,8	T0: 20, °С		T1: 1300, °С

 

где   h_i – толщина слоев футеровки;

a_i и b_i – составляющие коэффициента теплопроводности;

Т_0,1 – температура окружающей среды и максимальная температура          

нагревателя Т₁ = Т_р+100, °С;

Т_2,4 – температура на границе раздела огнеупор-теплоизоляция, °С;

Т_3,5 – температура на поверхности печи, °С ;

Т_6,7,8,9  – предельная температура использования слоев футеровки, °С;

L₁, L₂, L₃ – размеры рабочей камеры;

Р – рабочая мощность печи;

q_i – плотность теплового потока;

Q_i – тепловой поток, Вт;

F_i – площадь поверхности;

x_i – коэффициент теплопроводности слоев футеровки;

y_i – коэффициент теплоотдачи.

3.3 Выбор нагревательного  элемента

 

При выборе нагревателя  в данной работе в первую очередь  будем руководствоваться рабочей температурой внутри печи (температурой нагрева образцов). т.к. в нашем случае она равна 1100 °С, исходя из характеристик, выбираем нихром Х20Н80 нагреватель, т.к. только этот тип подходит по предельной температуре использования

 

Таблица 4 – Материал для нагревательного элемента

Материал нагревателя	t(пр), °С	I, Ом*м	j, Ом*м/К
Карборунд (силит) SiC	1450	0.8*10-3	1.9*10-3

           

Зная мощность печи необходимо вычислить размеры  нагревателя. Самый оптимальный вариант – проволочный, зигзагообразный в пазу , с шагом t=2.5d_н.

Для удобства возьмем  проволочный тип нагревателя  спиральной формы и открытого   типа размещения. Электрическая схема соединения нагревателей может быть различной. Однако выбранная схема должна соответствовать минимально возможной мощности и иметь разумные напряжение и силу тока. Для нашего нагревателя лучшим выбором будет подключение нагревателей в однофазную схему. При заданных параметрах и рассчитанном напряжении мощность составит 2,495 кВт. По формулам:       

p = i +jtн,                                                        (3.1)

                 dн = 7,4*p*Pф² /Uф²W,                                         (3.2)

          Lн = 4,3*10^-2*Uф²Pф / p*W²,                                       (3.3)

                    T = 2dн,                                                        (3.4)

                       D = 10*dн,                                                       (3.5)

где  dн – диаметр проводника, м;

Lн – длина проводника, м;

t – шаг зигзага, м.

Значения Pф, Uф, W берем из таблицы расчетов нагревателя.

Pф = 5.899 кВт Uф = 39.073 В , W = 80.631;

Получили, что dн = 0,012 м,  L = 0,250 м,  t = 0.045 м, D=0,018 м.

3.4 Выбор регулировочного трансформатора

 

 Так как нагреватели работают при напряжениях, не равных напряжению в электросети, то их подключат через регулировочные трансформаторы. Трансформаторы имеют свои характеристики, по которым необходимо выбрать трансформатор, соответствующий данным требованиям. Вначале необходимо определить количество подключаемых фаз. В нашем случае оно равно одной. Также расчеты показали, что

P = 5.899 кВт, максимальный ток нагрузки 13.024 А и напряжение 320 В. Так как из предложенных типов однофазных трансформаторов выберем РНО.

 

Таблица 5 – Выбор регулировочного трансформатора

Тип трансформатора	Число фаз	Напряжение  сети, В	Мощность, КВт	Регулируемое  напряжение, В	Максимальный  ток нагрузки, А
TC	3	127/220/380	10/30	127/220/380	30/40/60/100

3.5 Выбор автоматического выключателя

 

Выбор электрического автомата очевиден, т.к. из предложенных трехфазных автоматов с максимальным током нагрузки, находящемся в интервале от 5 до 100 А и напряжением 380 В, есть только один – АE - 2016.

Таблица 6 – Выбор автоматического выключателя

Тип	Число фаз	Напряжение  в сети, В	Максимальный ток нагрузки, А
АE - 2016	3	380	5, 10, 12, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100

3.6 Выбор термопары

 

Основными характеристиками термопар являются интервал температур и атмосфера, в которых возможна правильная работа термопары. В рассчитываемой печи измерение температуры производится в атмосфере воздуха и температуре не выше 1300 ^оС. Этим условиям удовлетворяют хромель-алюмелевые термопары, способные работать в окислительных, инертных атмосферах и в вакууме в интервале температур до 1400 ^оС.