Материалы для электрических нагревателей и требования предъявляемые к ним

Нагревательное сопротивление - резистивное тело, наиболее ответственный элемент электрического нагревателя, от которого зависит надежность и долговечность его работы в заданном технологическом режиме. Поэтому к материалам для нагревательных элементов предьявляются особые требования, основанные на следующих: достаточные жаростойкость и жаропрочность (не должны окислятся и терять механических свойств при высоких температурах); большое удельное электрическое сопротивление (должны обеспечивать возможность включения на сетевое напряжение при небольшой длинне нагревателя) и малый температурный коэффициент сопротивления (должны незначительно изменять сопротивление при изменении температуры); стабильность размеров и электрических свойств.

В зависимости от температурного режима и технологических условий нагреваемой cреды для изготовления электрических нагревателей используют металлические и неметаллические материалы. Для низко- и средне-температурных установок широко применяют специальные сплавы: хромоникелевые и железохромоникелевые. Наиболее распространены нихромы. В низкотемпературных установках (до 620 К) электрические нагреватели выполняют из дешевого и доступного материала - углеродистой стали. Неметаллические нагреватели используют нагреваватели используют в высокотемпературных установок. В ЭТУ с рабочей температурой до 1570 К применяют стержневые цилиндрические нагреватели из карборунда, а с температурой до 1870 К - из дисилицида молибдена. В высокотемпературных вакуумных печах с температурой нагрева до 3270 К используют графитовые нагреватели в виде стержней, трубок, пластин и другой формы.

Электрические нагреватели из карборунда, дисилицида и графита обладают высоким сопротивлением и переменными температурным коэффициентом сопротивления. Питание на эти нагреватели подается от понижающего трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением.

В качестве электроизоляционного наполнителя ТЭНов используется периклаз (плавленый оксид магния, который получают в дуговых электропечах, плавкой магнийсодержащих веществ).К данному наполнителю предъявляются следующие требования:

низкая удельная электропроводимость;

высокая электрическая прочность;

химическая нейтральность;

достаточно высокий коэффициент теплопроводности;

низкая влагопоглащаемость;

достаточная сыпучесть.

В качестве оболочек ТЭНов используют тонкостенные металлические трубы (латунные, алюминиевые, стальные)

Латунь - до 250 °C;

Алюминий - до 350 °C;

Углеродистая сталь - до 450 °C;

Нержавеющая сталь - до 750 °C;

Основным требованием предъявляемым к оболочке является механическая прочность, для защиты нагревательного элемента от механических повреждений.

Для повышения долговечности нагревателей применяют защитные покрытия (хромоникелевые и др.). Такие покрытия увеличивают ресурс нагревателей в несколько раз при работе в водных растворах.

Для герметизации ТЭНов применяют:

кремнийорганические лаки и эмали;

эпоксидные герметики;

битумную мастику;

легкоплавкое стекло.

 

 

Расчеты по регулированию мощности электротермической установки

 

Регулировать мощность электротермической установки мы будем, изменяя схему включения нагревателей. Рассчитаем варианты регулирования для емкостного электроводонагревателя.

U=380 ВP=1000 Вт t₀=20 °С t_p=700°С

Двойной треугольник

 

Рис. 2 Двойной треугольник

 

При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Так как двойной треугольник содержит шесть нагревательных элементов, то общая мощность равна:

 

 Вт

 

При обрыве линейного провода (см. рис.2) под напряжением остаются все шесть нагревательных элементов, но четыре из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

 

 Вт

Полная мощность тогда получается:

 

 Вт

 

где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;₁ - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

При обрыве фазы (см. рис.2) мы получаем, что два нагревателя не включены вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет четыре.

 

 Вт

Звезда

 

Рис. 3 Звезда

 

При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как  то если напряжение уменьшить в  раз, то, мощность, выделяемая на нагревательном элементе, получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

 

 Вт

 

При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.3) в работе оказываются только два нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

 

 Вт

Треугольник

 

Рис. 4 Треугольник

 

При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным напряжением, а значит, будет отдавать полную мощность. Данная схема содержит три нагревательных элемента.

 

 Вт

 

При обрыве линейного провода (см. рис.4) под напряжением остаются все три нагревательных элементов, но два из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

 

 Вт

Полная мощность тогда получается:

 

 Вт

 

где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;₁ - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

При обрыве фазы (см. рис. 4) мы получаем, что один нагревателя не включен вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет два.

 

 Вт

 

Двойная звезда

 

Рис. 5 Двойная звезда

 

При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как  то если напряжение уменьшить в  раз, то мощность выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

 Вт

 

При обрыве линейного или фазного провода (см. рис. 5) в работе оказываются только четыре нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

 

 Вт