2015-01-21
7234
Нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока называют резистивным нагревом. Согласно закону Джоуля — Ленца
Q = UIt = U2tIR = I2 Rt.
Для выделения тепла в твердом проводнике можно использовать постоянный и переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически невыгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твердом проводнике, обладающем высокой электропроводностью.
Способность переменного тока к трансформации позволяет получать требуемые напряжения. При переменном токе под сопротивлением проводника понимают активное сопротивление, которое больше сопротивления проводника постоянному току. Это объясняется наличием скин-эффекта, влияние которого возрастает с увеличением частоты f, диаметра проводника d, магнитной проницаемости μ и падает с ростом электрического сопротивления p.
Рассмотренный принцип выделения тепла в проводнике при пропускании тока находит применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.
В печах сопротивления прямого нагрева ток подводится непосредственно к нагреваемому изделию. При расчете электрических параметров нагрева необходимо учитывать изменение в процессе нагрева сопротивления материала.
В печах сопротивления косвенного нагрева в качестве рабочего тела используют специальные нагреватели, выполненные из высокоомных жаропрочных материалов. При этом передача тепла нагреваемому изделию осуществляется излучением.
На рис. ниже показаны схемы печей сопротивления.
Схемы электрических печей сопротивления: а — прямой нагрев; б — косвенный нагрев; 1 — нагреваемый материал; 2 — выключатель или магнитный пускатель; 3 —- электронагревательный элемент
В печах прямого нагрева достигается наибольшая эффективность,резистивного нагрева при значительной скорости и достаточной равномерности нагрева по сечению изделия.
Преимуществами печей сопротивления косвенного нагрева являются простота регулирования температуры и получения требуемого распределения температуры в печи. Материал нагревательного элемента должен обладать: возможно большим удельным электрическим сопротивлением, возможно меньшим температурным коэффициентом сопротивления, высокой жаропрочностью, стойкостью к окислению, легкостью обработки и невысокой стоимостью. Для металлических нагревателей применяют сплавы на основе никеля, хрома, железа и алюминия, отличающиеся большим удельным электрическим сопротивлением при сравнительно малых температурных коэффициентах сопротивления. В печах с температурой 1000—1100° используют нихром (20% Сr и 80% Ni), мало подверженный окислению при высоких температурах за счет образования на поверхности тонкой и прочной защитной пленки окиси хрома.
Нагревательные элементы изготавливают из проволоки или ленты. Проволочные нагреватели обычно выполняют из проволоки диаметром d=2—8 мм. Средний диаметр спиралей из нихрома D=(5— 8)d. Шаг намотки h принимают равным (2— 4)d, так как при малом шаге происходит взаимное экранирование витков. Длину спирали L и число витков nпри известной длине проволоки l определяют по формулам
L = /h/(πD); n= 103 L/h.
Нагревательные элементы обычно изготовляют из лент толщиной а=1-2 мм и шириной b= (8—12)a.
Расчет нагревательных элементов включает выбор типа, количества и материала нагревательных элементов, определение их геометрических размеров и размещение внутри печи. Исходными данными для расчета являются суммарная мощность печи (Р), напряжение питания (U), размеры печи и ее рабочая температура.
Расчет необходимой мощности нагревателей проводится на основе данных теплового расчета по уравнению P=Qk.
где Q — суммарный расход тепла в печи в единицу времени, Вт; k — коэффициент неучтенных потерь.
Для периодически работающих печей k =l,4 - l,5, для печей непрерывного действия k = 1,2-1,3. Расчет нагревательных элементов начинают с выбора материала для их изготовления по величине конечной температуры нагреваемого изделия, причем допустимая температура материала должна быть на 50—200°С больше конечной температуры.
