Требования к материалам и конструкции нагревательных элементов

Лекция № 18

Элементный нагрев

Косвенный электронагрев сопротивлением

План лекции

 

1. Требования к материалам и конструкции нагревательных элементов

2. Трубчатые нагревательные элементы

3. Электрический и конструктивный расчеты нагревательных элементов

4. Схемы включения и регулирования мощности

 

Требования к материалам и конструкции нагревательных элементов

 

Нагревательные элементы – основной узел электротермического оборудования, реализующего косвенный нагрев методом сопротивления. Безотказная работа элементов во многом определяет надежность электротермической установки и возможность соблюдения требуемого технологического режима.

Материалы всех конструктивных элементов, находящихся в рабочем пространстве электротермического оборудования, должны удовлетворять общим требованиям, обусловленным рабочей температурой.

Общие требования к материалам:

a) жаростойкость – не окисляться в условиях высокой температуры (для нагревателя ↓S→R↑→↓Р; вместе с тем идет разрушение)

b) жаропрочность – сохранять прочностные качества при высоких температурах (при этом нагреватели механически не нагружаются, но они должны выдерживать собственный вес)

c) технологичность – легко поддаваться обработке при изготовлении установки

Кроме того, к материалам нагревателей предъявляют специфические требования:

a) удельное сопротивление ρ должно быть большое, что позволяет выбрать конструктивные параметры нагревателей такими, чтобы их можно было разместить в ограниченном объеме и включать непосредственно в сеть, не снижая напряжения:

 

b) температурный коэффициент сопротивления α должен быть небольшим, чтобы сопротивление холодного и горячего нагревателя и, следовательно, мощность, потребляемая установкой из сети, изменялась незначительно.

Например, у металлов α = 0, 004, тогда

Т. е. сопротивление, а, следовательно, и мощность установки

с ростом температуры изменится в 1,4 раза.

c) физические свойства материала нагревательных элементов должны быть постоянные, т.е. противостоять старению – увеличению сопротивлению с течением времени, что вызывает уменьшение мощности установки. У некоторых сплавов с течением времени растет длина нагревательного элемента, что тоже приводит к уменьшению мощности установки.

Основными материалами для нагревателей косвенного нагрева сопротивлением являются сплавы:

Хромоникелевые – нихромы

Хромоалюминиевые – фехрали

Хромоникельалюминиевые – нихромы с алюминием

Наиболее отвечают требованиям, предъявляемым к материалам нагревательных элементов, хромникелевые сплавы. Различают нихромы:

1. двойные, содержащие хром и никель (Х20Н80). Поверхностная пленка окиси хрома имеет более высокую жаростойкость, чем основной материал, и препятствует окислению и разрушению глубинных слоев

2. тройные, в состав которых входит железо (Х20Н60).

Чем больше никеля в сплаве, тем выше его качество и рабочая температура. Max рабочая температура двойного нихрома Х20Н80 - 1100ºС. В низкотемпературных электротермических установках достаточно надежно работают более дешевые тройные нихромы, содержащие 24…27% хрома и 17…20% никеля (Х25Н20 и Х23Н18).

Стоимость железохромалюминиевых сплавов по сравнению с нихромами более низкая, прочность при высоких температурах меньшая, обрабатываются они хуже. Для нагревателей с рабочей температурой до 700ºС применяют фехраль Х13Ю4 (13% хрома, 4% алюминия, 83% железа).

Характеристики хромникельалюминиевых сплавов (например, Х15Н60ЮЗА) по сравнению с безникелевыми улучшены (рабочая температура до 1100ºС), и стоимость их более низкая за счет уменьшения содержания никеля.

В электротермических установках с t_раб ≥1250ºС применяют неметаллические нагреватели из карборунда, дисилицида молибдена (t_раб до 1600ºС), графита или тугоплавких металлов (Мо, W, Ta, Nb и др.)

Температурный коэффициент сопротивления нагревателей, изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие, сопротивление зависит от значения тока, протекающего по нагревателю. Однако вследствие дешевизны и недифицитности их широко применяют в низкотемпературных электротермических устройствах с рабочей температурой 300…400ºС

Применяют также нагреватели из нержавеющей стали – 1Х18Н9Т; из константана – 40% никеля и 60% меди – t_раб до 350ºС.

Нагревательные элементы по конструктивному исполнению подразделяют на:

1. открытые

2. закрытые

3. герметические

Открытые нагреватели из металлических сплавов изготавливают из проволоки или ленты, свернутых в спираль или изогнутых зигзагообразно. Открытые спиральные и зигзагообразные нагреватели крепят на керамических жаропрочных изоляторах в рабочем пространстве электротермических установок. Теплота от таких нагревателей передается конвекцией и излучением. Чем выше температура нагревателя, тем большая часть энергии ИК излучением передается нагреваемому материалу.

Помимо проволочных нагревателей в качестве источников ИК излучения в электротермических установках используются специальные лампы (см. курс «Светотехника»).

В нагревательных элементах закрытого исполнения нагреватель находится в защитном кожухе, предохраняющем его от механического воздействия окружающей среды. Защищенные нагревательные элементы передают теплоту в основном конвекцией.

В электротермических устройствах открытые и закрытые элементы используют из-за их простоты и невысокой стоимости. Однако наиболее распространены в электротермическом оборудовании с/х назначения герметические нагревательные элементы или ТЭНы.