Электропечь сопротивлением

 

 

Скорость  нагрева изделия: 

 

где: с  – удельная теплоемкость изделия; с=451 ;

      r - плотность материала изделия; r=7830 . 

 

Время нагрева поверхности изделия с t_по до t_к: 

 

 с. 

Длительность  начальной стадии нагрева пластины: 

 

 с 

Время, отведенное на незначительный перегрев пластины: 

 

 с. 

Общее время нагрева изделия: 

 

t_н=5769.85+472.15+524.62=6766.62 с. 

2.3 Динамика нагрева  изделия

 

Определяем  постоянную времени нагрева: 

 

где: m – масса изделия, m=176.18 кг.

     F – площадь поверхности тела, S= м²; 

      k – коэффициент теплопередачи от изделия в окружающую среду;

      R_t – термическое сопротивление изделия,  

 
 

  

 

c 

Уравнение нагрева однородного тела выглядит следующим образом: 

 

 

      Графическое изображение уравнения (12) представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. – Динамика нагрева изделия. 

2.4 Расчет конструктивных  параметров печи

 

      Для проведения расчета примем следующие  значения:

• внутренняя температура печи: t_в= 950 ⁰С;
• наружная температура печи: t_н= 50 ⁰С;
• материал первого слоя изоляции: магнезит;
• материал второго слоя изоляции: вермикулит;
• температура на границе слоев: t_гр= 500 ⁰С
• толщина слоя магнезита: s_м=0.1 м;
• толщина слоя вермикулита: s_ш= 0.05 м.

Средняя температура слоя магнезита: t_ср1=725 ⁰С

Средняя температура слоя вермикулита: t_ср2= ⁰С

Теплопроводность  слоя магнезита определяется по следующей  формуле: 

 

 

Теплопроводность  слоя вермикулита: 

 

 

Площадь внутренней поверхности слоя магнезита: 

 м². 
 

Площадь наружной поверхности слоя магнезита: 

 

 м². 

Расчетная площадь поверхности магнезита: 

 

 м² 

Площадь внутренней поверхности слоя вермикулита  равна наружной площади слоя магнезита:

 м² 

Площадь наружной поверхности слоя вермикулита  рассчитываем согласно формуле (16): 

 м² 

Расчетная площадь слоя вермикулита: 

 м² 

 

2.5 Определение мощности  печи

 

      Мощность, потребляемая установкой из сети равна: 

 

где: Р_пол – полезная мощность, кВт;

      Р_пот – мощность, необходимая для компенсации тепловых потерь через ограждение установки в окружающую среду, Квт.

      Полезная  мощность: 

 

      Мощность, отведенная на компенсацию потерь: 

 

где: SR_t – сумма термических сопротивлений слоя магнезита и слоя

шамота, .

      Термические сопротивления определяем в соответствии с форму-

лой (12):

• слоя магнезита:

 

• слоя вермикулита:

 
 

Полезная  мощность, отведенная на нагрев изделия: 

 кВт 

Мощность, отведенная на компенсацию потерь: 

 Вт 

Мощность, потребляемая установкой из сети: 

Р_потр=10330+27.27=10358.27 Вт

С учетом коэффициента запаса выбираем стандартную  мощность

12 кВт.

      К.п.д. установки: 

 

 

2.6 Динамика нагрева  печи 

Определяем  постоянную времени нагрева: 

 

где: m_м – масса магнезита, m_м= 367.2 кг.

      m_в – масса вермикулита, m_в= 17.5 кг.

     F – площадь поверхности стен камеры, S=3.14 м²; 

      k – коэффициент теплопередачи тепловой изоляции;

 

 

 c 

Уравнение нагрева однородного тела выглядит следующим образом:

 

Графически  эта зависимость выглядит следующим образом: 
 

 

Рисунок 2. – Динамика нагрева камеры печи 

2.7 Расчет нагревательного  элемента 

     В начале необходимо выбрать материал нагревателя и определить его  геометрические размеры при известных  размерах геометрического пространства, при известной рабочей температуре и известной мощности печи.

     Как правило, металлические нагреватели  в низкотемпературных печах располагают  на боковых стенках и поду.

     Для данной печи подходит проволочный нихромовый нагреватель Н20Х80.

     

     Рисунок 2.- Проволочный зигзагообразный  нагреватель. 

     Срок  службы нагревателя, зависящий от условий  окисления его поверхности, определяет удельная поверхностная мощность, выделяющаяся с единицы поверхности нагревателя. Для её нахождения вводится понятие идеального нагревателя. Под идеальным нагревателем понимают тот, который образует с изделием две сплошные параллельные бесконечные плоскости, при условии, что тепловые потери равны нулю, т.е. футеровка в теплообмене не участвует.

      Предельно допустимая удельная поверхностная мощность реального нагревателя, работающего при той же температуре, что и идеальный, выражается следующей зависимостью: 

 

где: α_эф- коэффициент эффективности нагревателя; для проволочного зигзага α_эф =0.68;

      α_ш- коэффициент шага, зависящий от относительных витковых расстояний; при h/d=3 α_ш=1.4 (рис.2 [2]);

Относительными  витковыми расстояниями называют отношение  расстояния между осями ветвей к диаметру проволоки (h/d)

      α_с - коэффициент, учитывающий величину приведенного коэффициента излучения нагреваемого изделия С_пр; α_с=1.05;

      α_р- коэффициент, зависящий от отношения А_изд/А_ст; α_р=0.95. 

 

Мощность  одной фазы: 

 

      где: m- число фаз; m=3

              n- число параллельных зигзагов на фазу; n=2. 

 

      Диаметр нихромовой проволоки для нагревателей: 

 

где: ρ_т- удельное сопротивление нихрома при температуре 1100 ⁰С;

ρ_т=1.13 ;