Выбор оптимального нагревателя

Цель статьи. Рассмотреть особенности, достоинства и недостатки металлических электронагревателей из сплавов с высоким омическим сопротивлением для промышленных электропечей. В статье рассматриваются варианты применения различных сплавов для металлических нагревателей: достоинство и недостатки, а также какая форма металлического нагревателя самая эффективная.

Данная статья поможет потенциальным заказчикам электропечей определить оптимальный сплав и форму нагревателей для решения своих термических задач. 

В данной статье не рассматриваются специфические и специальные нагреватели, в вариантах применения которых нет альтернатив. Например, закрытые электронагреватели (ТЭНы), карбидкремниевые нагреватели или иные нагреватели для решения узких задач. 

Выбор материала металлического нагревателя 

Одним из наиболее значимых элементов в электропечи являются непосредственно источники выделения тепла, это электрические нагреватели. Нагреватель является наиболее важным элементом печи, его надежность напрямую влияет на работоспособность конструкции в целом. Материалы электронагревателей должны обладать  высокой жаростойкостью, не менять характеристики со временем, иметь высокое удельное сопротивление. Лучше всего для изготовления нагревателей для печей с нагревом в диапазонах 400-1300°С подходят прецизионные сплавы: никель хромовые сплавы, железохромоалюминиевые сплавы, никельхромоалюминиевые сплавы. Все эти сплавы имеют высокое электрическое сопротивление. Химический состав механические свойства и остальную информацию о характеристиках сплавов сопротивления можно уточнить в «ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные». 

Жаростойкость и жаропрочность 

Нагреватели из проволоки, прежде всего, должны иметь высокую жаростойкость (способность сплава не менять своих при высоких температурах), а также не менять свою геометрию.  В зависимости от рабочей температуры, в печах рекомендуется применять различные материалы. В случае рабочей температуры до 1000°С, можно применять любые сплавы. В случае нагрева на более высокие температуры, применяют, преимущественно, фехраль. На практике, как правило, чем выше допустимая температура применения сплава, тем дороже материал. 

Сопротивление нагревателя

Нагреватель должен обладать высоким электрическим сопротивлением. Чем выше значение сопротивления проводника, тем больше сплав может сопротивляться прохождению тока и, тем меньшей длины его необходимо что бы нагреться на одинаковую температуру. Чем больше сечение проводника тем больший ток способен проводить материал до достижения необходимого нагрева. На практике, материалы с очень высоким электрическим сопротивлением применяют двух типов: железохромоалюминиевые и никель-хромовые сплавы. Если в печи необходимо разместить максимально возможную мощность при остальных равных условиях, тогда выбирают фехраль. 

Технические характеристики  

Материалы должны иметь хорошую пластичность, свариваемость, так как из них изготавливаются: проволоки, ленты, сложной формы нагревательные элементы. В момент навивки спиралей или гибки зигзагов материал необходимо подогревать в диапазоне 400-600°С для минимизации поверхностных микротрещин. Сплавы сопротивления не значительно изменяют свои физические свойства. 

Марки сплавов рекомендуемые для изготовления нагревателей 

Все эти сплавы обладают теми характеристиками, о которых писалось выше. Например, высокая жаростойкость обеспечивается благодаря образовывавшейся пленке на поверхности из окиси хрома. 

Существуют материалы сочетающие свойства нихромов и фехралей, например сплав Х27Н70ЮЗ и Х15Н60ЮЗ. Основой для этих сплавов являются нихром, жаростойкость которого повысили добавлением алюминия. Железохромоникелевые сплавы содержат 3% алюминия. Этот элемент повышает жаростойкость материала. Железохромоникелевые сплавы не хрупкие, прочны и превосходно обрабатываются. Рабочая температура может составлять 1200 °С. 

Нагреватели из тугоплавких металлов и материалов 

Нагреватели из тугоплавких металлов и неметаллов  Нагреватели на высокие температуры изготавливают из тугоплавких металлов, или из специфических материалов: уголь, дисилицид молибдена, графит, карборунд). Дисилицид молибдена и карборунд устанавливают на высокотемпературные печи. Графитовые и угольные нагреватели применяют в печах с защитной атмосферой. 

В качестве тугоплавких металлов применяют тантал, молибден, ниобий, вольфрам. Нагреватели из молибдена устанавливают в вакууме  до 1600°С или в защитной атмосфере до температуры 2200°С. Ограничения по молибдену связаны с испарением в вакууме при температуре 1700 °С и выше. Нагреватели из вольфрама способны работать при тем. до 3000 °С. Весьма редко для производства нагревателей используют ниобий и тантал.

Выбор нагревателя оптимальной формы 

Срок эксплуатации нагревателя зависит от факторов его окисления и угара, которые напрямую завися от его температуры. Чем выше удельная мощность тем быстрее поверхность нагревателя окислится и прогорит. При проектировании электропечей конструктивно задаются удельной мощностью в пределах 3-6 Вт на см2 поверхности нагревателя. 

Оптимальным, с точки зрения эксплуатационного расхода материала, являются следующие соотношения. 

Рекомендуемые соотношения диаметра (ширины) и шага нагревателя.

Таблица 6 Предпочтительные размеры нагревателя.

Форма нагревателя	Эскиз нагревателя	Рекомендуемый диапазон соотношений диаметра (сечения) и шага
Спираль проволока		t/d=1,4÷2,6
Зигзаг проволока		e/d=2,5÷4,5
Зигзаг лента		t/B=3,2÷4,8 e/B=1,4÷2,6

Если предположить что некий идеальный нагреватель имеет форму в виде двух сплошных бесконечных прямых, тепловые потери которого равны нулю, теплоизоляция на него не влияет, то его допустимую мощность можно выразить как Wид. Нагреватель, установленный в печи, будет иметь ряд ограничений и отличаться от идеального (Wид) на величину поправочных (ограничивающих) коэффициентов, которые напрямую влияют на его жизнестойкость и зависят от формы и размещения. 

W= Wид*αэф*αг*αс*αр          (1)

Для определения наиболее приближенной формы и варианта размещения (крепления) нагревателя рассчитаем различные показатели.

      Где: W – реальный нагреватель,

      Wид: – идеальный нагреватель. (на который не влияют ограничения конструкции печи).

      αэф- коэффициент эффективности излучения нагревателя (способность излучать, направлять тепло).

      αс – коэффициент, учитывающий величину приведенного излучения нагреваемого изделия.

      αр – коэффициент учитывающий влияние размеров садки. В нашем сравнении αс и αр одинаковые для обоих нагревателей, поэтому из расчетов их исключаем.

      αэф- коэффициент эффективности излучения нагревателя (способность излучать, направлять тепло).

Графики значения коэффициента шага нагревателя αг для различных вариантов нагревателей.

Коэффициент αг определим для минимально допустимого межвиткового расстояния (рекомендуемого в табл. 7) по соответствующему графику.

Вариант проволочной спирали на полочке не рассматриваем из за самого низкого коэффициента излучения и соответственно редко применяемой схемы размещения нагревателя.

Если в качестве примера возьмем за образец допустимую удельную мощность идеального нагревателя с величиной, Wид=10Вт/см2. По формуле (1) рассчитаем допустимую удельную мощность различных схем нагревателей. 

Удельную допустимую мощность нагревателя, в виде проволочного зигзага, можно устанавливать практически в два раза больше чем для вариантов нагревателей в виде спирали или ленточного зигзага. 

ВЫВОД

Наиболее приближенной формой нагревателя к максимально допустимому по удельной мощности нагревателя является проволочный зигзаг. Самым эффективным материалом для нагревателей, в диапазоне температур до 1050°С, являются сплав нихром и фехраль в равных значениях, для температур выше 1050°С фехраль являются более предпочтительными.