Какое требование относится к материалу нагревателей печи сопротивления

Обновлено: 01.05.2024

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:

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:

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.

В промышленности и наукоемких отраслях широко используются электрические печи сопротивления (ЭПС). Нагрев камеры в них производится на основе закона Джоуля-Ленца за счет пропускания электрического тока по нагревателю (проводнику) с высоким удельным (активным) сопротивлением, в результате чего электроэнергия трансформируется в тепловую, проводник нагревается и выделяет тепло в печную камеру. Печи имеют разное назначение и разные рабочие температуры, которые могут достигать 3000°C. Наибольшее распространение получили низко- и среднетемпературные печи косвенного нагрева с рабочими температурами до 600–650°C и до 1200–1260°C соответственно.

Материалы нагревателей для ЭПС

Материалами для нагревателей ЭПС чаще всего выступают прецизионные сплавы нихром и фехраль в виде нити, ленты, проволоки. Данный выбор обусловлен рядом требований к материалам, среди которых: жаростойкость и жаропрочность, высокое удельное сопротивление и малый температурный эффект сопротивления, постоянство физических и электрических свойств, хорошая обрабатываемость. Не последнюю роль играет и цена. Несмотря на то, что при равных параметрах нихромовая спираль из-за наличия в составе никеля стоит дороже, чем фехралевая спираль, стоимость готовых нагревателей из обоих материалов оптимальна с точки зрения их производительности, затрат на изготовление и монтаж.

Рабочая температура нагревателей для низко- и среднетемпературных ЭПС

Нагреватели из нихромовой проволоки или ленты обычно используют для оснащения низкотемпературных печей. Чем выше в сплаве содержание никеля, больше диаметр проволоки и сечение ленты, тем выше рабочая температура нагревателя. Например, нагреватель из нихромовой нити марки Х15Н60 диаметром 0,2 мм может работать при температурах до 900°С, а из проволоки диаметром от 6 мм – до 1125°С. Нагреватели из сплава Х20Н80 при идентичных физических параметрах имеют значение рабочей температуры 950°С и 1200°С соответственно.

Железохромоалюминиевый сплав фехраль чаще применяют для нагревателей среднетемпературных печей. Так фехралевая нить марки Х23Ю5Т с диаметром от 0,2 мм способна нагревать воздушную среду в камере печи до 950°С, а проволока толщиной от 6 мм – до 1400°С и более. В схожих температурных пределах работает фехралевая проволока марки Х27Ю5Т. Рабочая температура в ЭПС регулируется изменением подводимой мощности к нагревателю. Регулировка выполняется плавно или дискретно в автоматическом режиме с помощью специальных контрольно-регулировочных приборов.

Классификация нагревателей ЭПС

Нагреватели ЭПС классифицируют по конструктивным признакам, которые определяются материалом, особенностями технологического процесса и способом установки в печи. Чтобы нагреватель обладал максимально возможным электрическим сопротивлением, он должен иметь большую длину, для чего производится навивка проволоки в спираль или изгибание зигзагом, а лента также укладывается в зигзагообразные пазы. Например, готовая нихромовая спираль во много раз короче проволоки из которой она изготовлена. Это не только обеспечивает нагревателю необходимое для эффективной работы удельное сопротивление, но и упрощает его размещение в своде печи.

Проволочные спирали. Главное преимущество спиральных нагревателей – высокая мощность нагрева при компактных размерах. Благодаря своей конструкции нихромовая или фехралевая спираль превосходит другие типы нагревателей по удобству размещения в ограниченном пространстве и эффективности использования внутренней поверхности камеры печи при сохранении максимальной теплоотдачи.
Проволочные зигзагообразные. Зигзагообразные нагревательные элементы из нихромовой и фехралевой проволоки считаются наиболее рациональными с точки зрения эксплуатационного расхода материала и величины удельной поверхностной мощности нагрева. Эксплуатационный расход обуславливается скоростью окисления (расхода) поверхности нагревателя за 1000 часов работы на 1 кВт установленной мощности. Зигзагообразные проволочные нагреватели превосходят изделия других типов по экономичности производства, и, соответственно, по себестоимости.
Ленточные зигзагообразные. Зигзагообразные ленточные нагреватели изготавливаются из фехралевой или нихромовой ленты. Благодаря плоскому профилю ленточный нагреватель имеет большую теплоотдающую поверхность, механическую прочность, жёсткость и продолжительный срок службы. Ещё одним преимуществом этого типа нагревателей является простота и удобство монтажа в печах с камерами небольшого поперечного сечения. В числе недостатков – необходимость надежной системы подвешивания.

Производство нагревателей для ЭПС

Для производства спиральных нагревателей применяется нихромовая или фехралевая нить или проволока диаметром 0,2-15 мм в вытянутом виде, которая закручивается на станке в спираль. Витки укладываются вплотную. После снятия с оправки витки спирали немного раскручиваются, увеличиваясь на 1-3 мм до расчётного диаметра, затем их растягивают до нужного шага. При изготовлении проволочного зигзагообразного нагревателя нихромовая нить или проволока укладывается зигзагом с шагом 5-9 диаметров проволоки и высотой до 350-600 мм, в зависимости от ориентации в печи, при помощи несложного рычажного устройства или на специальном станке. Ленточный нагреватель изготавливается из ленты толщиной более 1 мм с высотой зигзага от 100 до 450 мм, по такой же технологии, как и проволочный.

Размещение и крепление спиральных и ленточных нагревателей в ЭПС

Типы креплений нагревателей

Электрические печи сопротивления отличаются большим разнообразием конструкций. Расположение нагревателей в них определяется не только внутренними размерами, но и методом загрузки и расположением объекта нагрева. В промышленных шахтных печах с большой высотой рабочей камеры, предназначенных для термообработки длинных изделий, проволочные и ленточные нагреватели размещают на боковых стенках. В печах с выкатным подом нагреватели размещают по своду камеры, на стенах и под подом. В элеваторных печах с низкой и широкой камерой, используемых для нагрева плоских заготовок, нагреватели устанавливают на своде и по поду печи.

Наиболее популярными способами крепления спиральных нагревателей в ЭПС является их намотка на керамических трубках, встроенных в свод, боковые стенки или в под камеры. Эти способы размещения спиральных нагревателей считаются универсальными, поскольку трубки без особых проблем могут быть установлены в любой части печи. Спиральные нагреватели широко применяют в электрокалориферах и в конвейерных печах с принудительной циркуляцией воздуха. Спираль зажимается между изоляторами или крепится на подвесах из керамики, свободно излучая тепло, при этом производится обдув спирали потоком воздуха от вентилятора.

Проволочные и ленточные зигзагообразные нагреватели при размещении на стенках печи или на арочном своде крепятся на металлические крюки из нихрома или жаропрочной стали, подвешиваются на керамические крюки или укладываются на полочки из керамики. В муфельных и трубчатых печах фехралевая или нихромовая проволока или лента наматываются непосредственно на муфель или трубку. Основание оснащено специальными пазами, предохраняющими нагреватель от ослабления и смещения при нагреве. В поду, а иногда и в своде камеры, нагреватели могут фиксироваться в пазах между кирпичами или на специальных керамических выступах, закладываемых в кладку.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Описание электрических печей сопротивления, их области применения, принцип действия

Электрическими печами сопротивления (ЭПС) называется обширный класс электротермических установок, предназначенных для нагрева различных изделий в результате пропускания тока либо через сами изделия (устройства прямого действия) либо через систему проводников (устройства косвенного действия).

Возможность равномерного нагрева изделий до температур в 2500 °С
Компактность конструкции и высокая мощность нагрева
Автоматизация управления, возможность интегрирования в промышленные технологические цепочки
Простота регулировки рабочих режимов, в том числе при сложных графиках температурного воздействия
Использование эффективных средств герметизации – вакуум, среда защитных газов, совместимость с режимами специальной атмосферы при химико-термическом воздействии (при азотировании, цементации и т.п.)

Классификация электрических печей сопротивления

По режиму работы – имеются установки непрерывного и периодического действия.
По способу применения – лабораторные, для единичных исследований, и промышленные, для объемной и постоянной термообработки.
По атмосфере в рабочей камере – с контролируемой атмосферой, в том числе вакуумные, либо функционирующие в воздушной среде (окислительные).
По виду обрабатываемых изделий – установки для термической металлообработки, печи для воздействия на стекло, керамику, фарфор и др.
По типу конструкции – шахтные, камерные, колпаковые, плавильные и конвейерные ЭПС. Имеются установки с выдвижным и пульсирующим подом, карусельные, барабанные, толкательные и другие конструкции.
По рабочей температуре – наиболее наглядной характеристике электропечей сопротивления:
- Низкотемпературные (нагрев до 400 °C) и среднетемпературные (нагрев до 1000 °C), в качестве нагревательных элементов используются нихром марок Х15Н60, Х20Н80 и др.
- Высокотемпературные (нагрев до 1600 °C) установки на основе фехраля марок Х27Ю5Т, Х23Ю5Т и др.
- Особо высоких температур (нагрев до 1800 °C), в них нагревательные элементы изготовлены из керамических материалов – хромита лантана, дисилицида молибдена, карбида кремния
- Сверхвысоких температур (нагрев до 2500 °C) – работают в вакуумной среде с использованием тугоплавких металлов тантала, вольфрама, молибдена либо композитных углеродосодержащих сплавов в качестве нагревателей.
Характеристики материалов для нагревательных элементов ЭПС

Очевидно, что любой нагреватель в электропечах сопротивления должен быть жаростойким, жаропрочным, обладать высоким удельным сопротивлением, постоянством электрических свойств и достаточной обрабатываемостью. Немалое значение имеет бюджетная доступность прецизионных материалов для нагревателей. Такому комплексу требований отвечают сплавы на основе железа, хрома, никеля и алюминия, в первую очередь хромоникелевые и железохромоникелевые соединения.
- Х15Ю5 – до 800°С
- Х23Ю5 – до 1200°С
- Х27Ю5Т – до 1300°С
- Х23Ю5Т – до 1400°С
Нагревательные элементы в большинстве моделей электрических печей сопротивления выполняются из проволоки либо имеют ленточную конструкцию. В промышленных ЭПС в основном используется нихромовая (фехралевая) проволока диаметром 3-7 миллиметров, но также встречаются печи, в которых нагреватели сделаны из проволоки большего диаметра. При формировании спиральных нагревателей из прецизионных проволок они должны быть достаточно жесткими, иметь плотность намотки и соотношение диаметр/шаг с оптимальной теплопередачей. Дело в том, что высокая плотность намотки и большой диаметр способствуют росту мощности только до определенного предела. С дальнейшим ростом густоты укладки возрастает экранирующее влияние одних витков на другие – то есть снижается эффективность использования.

Из современных конструкций проволочных нагревателей значительное распространение получили модели на керамических трубках. Их излучаемая мощность значительно превышает аналоги в полочках и пазах, они универсальны как по внутрикамерному расположению, так и использованию различных марок жаропрочных сплавов.

Ленточные нагреватели для ЭПС изготовляют в виде зигзагов, их размер зависит от необходимой мощности печи. Крепление лент выполняется на керамических стойках или жаропрочных сплавах. Для обеспечения достаточной прочности излучающих лент и минимального экранирования соседних полос наиболее распространено соотношение толщины ленты к ее ширине в пределах 1:10.

Заключение

Электрические печи сопротивления получили широкое распространение в различных областях промышленности благодаря своим практически полезным качествам. На данный момент это один из самых популярных вариантов печей, которые используются повсеместно от гончарных мастерских до крупных металлургических заводов.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Электрические печи сопротивления зависимо от способа преобразования электричества в тепло разделяют на установки косвенного и прямого нагрева.

Печи, работающие по принципу косвенного нагрева, более востребованы и представлены в большом разнообразии конструктивных решений и технологических назначений.

Зависимо от технологического назначения печи сопротивления косвенного обогрева разделяют на три основные группы:

для тепловой и термохимической обработки полимеров, керамики, металлокерамики, черных и цветных металлов и т.д.;

для плавления металлов и сплавов;

для просушки лакокрасочных поверхностей, форм для литья, эмали и т.д.

Печи сопротивления бывают низкотемпературными (600–650 °С), среднетемпературными (1200–1250 °С) и высокотемпературными (выше 1250 °С).

Садочные печи работают циклично, включая в себя загрузку, термообработку и выгрузку. Обрабатываемый материал за время пребывания в печи положения не меняет. А методические установки — непрерывно воздействуют на обрабатываемый материал, обладают высоким уровнем производительности. Применяют такие печи в массовом поточном производстве.

Конструктивно садочные печи делятся на камерные, шахтные, колпаковые, колодцевые, элеваторные и печи-электрованны, а методические – на конвейерные, толкательные, рольганговые, барабанные, карусельные и протяжные.

Из-за наличия в печи участков с повышенными термическими показателями помимо стандартных материалов конструкции и электротехники в них еще входят материалы, обладающие высокой устойчивостью к воздействию чрезмерных термических нагрузок. К таковым относят материалы с огнеупорными и теплоизоляционными свойствами, а также элементы для нагревателей.

С помощью огнеупорных материалов формуют рабочее пространство печи — ее камеру или ванну. Так образуется огнеупорная кладка — внутренняя часть печной футеровки.

Требования к огнеупорным материалам:

устойчивость к повышенной температуре без деформирования и оплавки;

огнеупорная кладка должна выдерживать вес загрузки, тару, транспортирующие устройства. Также на кладке монтируют нагревательные устройства;

выдержка высоких температур без растрескивания и хорошая переносимость резких термических перепадов;

минимальный уровень электропроводности. Огнеупорные материалы в печи сопротивления еще выполняют функцию электроизоляторов;

мизерная теплопроводность: чем меньше теплопроводность, тем легче изготавливается кладка с минимальными потерями тепла без необходимости увеличения толщины стен;

нейтральные химические свойства. Материалы кладки не должны вступать в реакцию с обрабатываемым материалом, нагревательными элементами и газовой средой, которая заполняет пространство рабочей камеры.

Для производства печей сопротивления обычно используется шамот, динас хромомагнезит. В качестве теплоизоляции используется:диатомит, шлаковые и минеральные ваты, перлит, зонолит, различного рода комбинированные материалы на основе асбеста.

Нагреватели — это основной узел любой печи, который определяет надежность ее работы. Сырье, используемое для производства нагревателей, подбирается в зависимости от необходимой температурной выработки элемента нагрева и атмосферы в самой печи. Каждый материал, входящий в конструкцию нагревательного элемента должен обладать жаростойкостью, устойчивостью к окислениям и обрабатываемостью.

К материалам для таких устройств нагрева предъявляются специфические требования, включая:

Высокое удельное электросопротивление. Это позволяет увеличить период службы нагревателя и удобно поместить его в печной установке.

Низкий термический коэффициент электросопротивления.

Постоянные показатели электросопротивления. Материал не должен увеличивать со временем сопротивление иначе упадет уровень мощности печного оборудования.

Виды нагревателей для электрических печей сопротивления от «Полимернагрев»:

Карбидокремниевые нагреватели — предназначены для печей с высокотемпературной обработкой. Максимальная термоподача — 1400°С. Нагреватель имеет рабочую часть и холодные зоны. Обладает длительным сроком службы, высокой надежностью и легко поддается обслуживанию.

Молибденовые нагревательные элементы для печей — подают температуру до 1700°С. Работает в воздушной, инертной и окислительной средах. Обладает быстрым выходом на заданный режим температуры.

Канальные устройства нагрева для печи сопротивления — максимальная температурная подача 1350°С. Представлены в виде керамического литого блока. С одной стороны имеет форму плоскую, а с другой находятся выемки для размещения нагревательного элемента. Спираль для нагревателя выполняется из нихромовой проволоки. Канальные ТЭНы имеют фиксированные размеры с различными показателями мощности.

Нихромовая спираль — это простая проволока из нихрома. Представлена в виде пружины определенного диаметра. Основные свойства: механическая прочность и высокое сопротивление. Температура нагрева до 1100°С.

Фехралевая спираль — обладает высокими показателями сопротивления и термоустойчивости. Спираль из фехраля может изготавливаться как в форме классической спирали из нити, так и виде ленточного зигзага. Диаметр спирали и сечение нити нагревателя рассчитываются с учетом установочной мощности, типа используемого оборудования и рабочей среды. Температура нагрева: до 1150 °С.

Все представленные виды нагревателей для печей сопротивления могут использоваться в установках разной конструкции и служить для решения различных задач. Более подробную информацию вы можете получить у менеджеров «Полимернагрев».

Печи сопротивления по типам и конструкциям

Печи, которым характерно периодическое действие изготавливаются в разных конструкционных вариантах. В основном они служат для выпуска индивидуальных и мелкосерийных выпусков деталей. Самыми популярными вариантами считаются: камерные, шахтные, колпаковые, печи с выдвижным подом, элеваторные и электропечи с рабочей ванной.

Камерная печь

Печи с камерой используются для термообработки металлических изделий. Мощность камеры может составлять до 160 кВт. Работает при напряжении 220–380 В. Стенки рабочего пространства обложены огнеупорным материалом (кирпичи, блоки) и теплоизоляцией. Внутри также размещены нагревательные устройства. Загружают такое оборудование в ручном режиме, при помощи крана или за счет загрузочных механизмов, находящихся перед дверью печки. Производить контроль и регулировку температуры в печи можно при помощи электроблока, который будет взаимодействовать с термопарой подходящего типа.

Шахтная печь

Электропечки шахтного типа служат для мелкосерийного производства и используются для длинных, крупных и мелких деталей в корзинах. Форму и размеры шахты определяют исходя из формы и габаритов загрузки. Такие печки могут иметь как круглое, так и квадратное сечение для различных размеров рабочего пространства и разных показателей температуры. Пространство, в котором непосредственно происходит обработка детали, перекрывается крышкой. В случае, когда необходимо поддерживать максимально равномерную температуру в рабочем пространстве и при рабочих процесса с контролируемыми атмосферами шахтные печи оснащаются вентиляторами.

Колпаковая печь

Печи колпачного типа являются лучшим вариантом для отжига листового металла, полосы и проволоки в пучках. Основными конструктивными элементами являются одна или несколько стационарных футерованных клетей, на которых устанавливаются продукты, муфель, используемый при термообработке в защитной среде или в вакууме, нагревательный колпак с футеровкой и колокол с ускоренным охлаждением. Нагревательные элементы расположены на внутренней поверхности боковых стенок раструба. В стендах установлены вентиляторы печи, которые осуществляют замкнутую циркуляцию атмосферы печи. В печах с защитной средой между колпаком и подставкой, а также между муфелем и подставкой имеются песчаные пробки. Электричество подается на подставку, а нагреватели колпака подключаются через контактные соединения.

Печь с выдвижным подом

Оборудование с выдвижным подом представляет собой механизированную модификацию камерных печей. Под перемещается в камеру и возвращается обратно после нагрева. Нагревательные элементы расположены на стенках камеры и на поду.

Элеваторная печь

Данное оборудование тоже имеет выдвижной под, поднимающийся при помощи столика. Используется для отжига чугуна.

Карусельная печь

Оборудование с вращающимся подом, в который материалы подаются через загрузочное отверстие. Двигаясь вместе с кольцевым очагом, материалы нагреваются и, совершив почти полный оборот, выгружаются через выпускное отверстие.

Электрическая печь-ванна

Электрическая печь-ванна имеет форму шахтной печи с ванной или тиглем, встроенным в рабочее пространство. Электрод соляные ванны особенно широко распространены; они одновременно обеспечивают быстрый, равномерный и неокислительный нагрев. Подбирая состав солей, также можно проводить термохимическую обработку (науглероживание, азотирование, борирование и т. д).

Конвейерная печь

В ней обрабатываемое изделие перемещается внутри рабочего пространства печи, представляющего собой длинную прямоугольную камеру на конвейерной ленте, изготовленной из термостойкого материала. Конвейерные печи используются для различных видов температурной обработки металлов, для пайки медными припоями, сушки и других процессов при температуре 1000-1100 С. Печам непрерывного действия характерно перемещение обрабатываемых материалов от зоны загрузки к зоне разгрузки.

Барабанные электропечи

Предназначается для закалки небольших деталей из стали не имеющих заостренных краев. Служит для сушки и перемещения нагретых материалов от загрузки к разгрузке и конструктивно выполнен в виде трубы. Нагревательная камера представляет собой металлическую конструкцию, облицованную изнутри огнеупорным шамотным волокном. Камера оснащена открывающимися поворотными боковыми стенками для обеспечения доступа к нагревателям. Вся камера разделена по длине на 5 температурных зон. Разгрузочное устройство выполнено с вибратором и соединено с барабаном со стороны выхода готовой продукции. Шкаф управления выполнен в отдельном корпусе и его электронная оснастка предназначена для управления печью.

Протяжные печи

Предназначены для термообработки проволоки, ленты, тонкостенных труб из черных и цветных металлов. Движение продуктов в духовке осуществляется вытягиванием из специальных протяжных или намоточных устройств, расположенных перед загрузочными и разгрузочными отверстиями духовки. Протяжные печи выполнены вертикальными, горизонтальными и башенными.

Здесь представлены только основные и самые широко распространенные типы печей сопротивления, на самом деле подобных установок существует огромно количество и предназначаются они для решения отдельны задач.

Огонь был одним из самых ранних и величайших открытий человечества - примерно один или два миллиона лет назад. В наш современный век реактивных двигателей, космических ракет, стальных небоскребов и синтетических пластмасс дым и пламя могут показаться доисторическими. Но все четыре из этих изобретений - и десятки других - в той или иной степени полагаются на огонь.

Иногда на то, чтобы разжечь огонь, уходит много времени: например, угольные паровозы нужно разжечь за несколько часов до того, как они потянут поезда. В других случаях пожар вспыхивает тогда, когда вы меньше всего этого ожидаете, угрожая жизни, зданиям и всему, что вам дорого. Разве не было бы замечательно, если бы огонь можно было контролировать так же легко, как электричество, чтобы вы могли включать и выключать его в любой момент? Это основная идея нагревательных элементов. Они - «огонь» внутри таких вещей, как электрические обогреватели, душевые , тостеры , плиты, фены, сушилки для одежды, паяльники и всякая другая бытовая техника. Нагревательные элементы дают нам силу огня с удобством электричества. Давайте подробнее разберемся, что это такое и как они работают!

На фото: электрический нагреватель с открытой спиралью. При нагревании спираль начинает светиться красным.

Производство тепла из электричества

В школе мы узнаем, что одни материалы хорошо переносят электричество, другие - плохо. Хорошие носители электричества называются проводниками, а плохие носители - изоляторами. Проводники и изоляторы часто лучше описывать, говоря о том, какое сопротивление они оказывают, когда через них протекает электрический ток. Таким образом, проводники имеют низкое сопротивление (через них легко проходит электричество), в то время как изоляторы имеют гораздо более высокое сопротивление (это настоящая борьба за прохождение электричества). В электрической или электронной схеме мы можем использовать устройства, называемые резисторами, для контроля протекания тока; используя циферблат, чтобы увеличить сопротивление и снизить ток. В схеме громкоговорителя, например, это способ уменьшения громкости.

На фото: крупный план скрученной вольфрамовой нити в лампе накаливания, которая излучает свет, выделяя большое количество тепла. Количество света, излучаемого нитью накала, напрямую зависит от ее длины: чем длиннее нить, тем больше света она излучает. Вот почему он скручен: катушка помещает больше длины (и света) в то же пространство.

Резисторы работают путем преобразования электрической энергии в тепловую; другими словами, они нагреваются, когда через них проходит электричество. Но это делают не только резисторы. Даже тонкий кусок проволоки нагреется, если вы пропустите через него достаточное количество электричества. Это основная идея ламп накаливания (старомодных ламп в форме лампочек). Внутри стеклянной колбы находится очень тонкий моток проволоки, называемый нитью накала. Когда через него проходит достаточно электричества, он становится раскаленным добела, очень ярко - так что он действительно излучает свет, выделяя тепло. Около 95 процентов энергии, потребляемой такой лампой, превращается в тепло и полностью расходуется (при использовании энергосберегающей люминесцентной лампы намного более эффективен, потому что большая часть потребляемой лампой электроэнергии преобразуется в свет без потери тепла).

А теперь забудьте о свете - что, если бы нас действительно интересовало тепло? Внезапно мы обнаруживаем, что наша расточительная лампа накаливания на самом деле очень эффективна, потому что она преобразует 95 процентов энергии, которую мы в нее подаем, в тепло. Фантастика! Только вот проблема. Если вы когда-либо приближались к лампе накаливания, вы знаете, что она становится достаточно горячей, чтобы обжечь вас, если вы дотронетесь до нее (не поддавайтесь соблазну попробовать). Но если вы встанете даже на метр или около того, тепло от чего-то вроде 100-ваттной лампы будет слишком слабым, чтобы достичь вас.

Итак, что, если бы мы хотели создать электрический обогреватель по той же схеме, что и электрическую лампу? Нам понадобится что-то вроде увеличенной в масштабе нити накала лампы - может быть, в 20–30 раз мощнее, чтобы мы действительно могли чувствовать тепло. Нам понадобится довольно прочный материал (тот, который не плавится и прослужит долгое время при многократном нагревании и охлаждении), и он нам понадобится, чтобы выделять много тепла при разумной температуре. Здесь мы говорим о сути нагревательного элемента: прочного электрического компонента, предназначенного для отвода тепла, когда через него протекает большой электрический ток.

Что такое нагревательный элемент?

На фото: нагревательный элемент, скрытый внутри керамической варочной панели. Это один непрерывный элемент, начинающийся с синей точки и изгибающийся в форме лабиринта, пока не достигнет красной точки. Нет никакого смысла в том, чтобы этот элемент имел другую форму или размер: он должен концентрировать тепло именно под сковородой - и это наиболее эффективный способ добиться этого.

Типичный нагревательный элемент обычно представляет собой катушку, ленту (прямую или гофрированную) или полоску проволоки, которая излучает тепло, как нить накала лампы. Когда через него протекает электрический ток, он накаляется докрасна и преобразует проходящую через него электрическую энергию в тепло, которое излучается во всех направлениях.

Нагревательные элементы обычно изготавливаются на основе никеля или железа. Сплавы на основе никеля обычно представляют собой нихром, сплав, состоящий примерно из 80 процентов никеля и 20 процентов хрома (доступны другие составы нихрома, но смесь 80–20 является наиболее предпочтительной). Нихром является наиболее популярным материалом для нагревательных элементов по разным причинам:

он имеет высокую температуру плавления (около 1400 ° C),

не окисляется (даже при высоких температурах),

не слишком расширяется при нагревании,

имеет разумное (не слишком низкое, не слишком высокое и достаточно постоянное) сопротивление (оно увеличивается только примерно на 10 процентов между комнатной температурой и максимальной рабочей температурой).

Сплав на основе железа называется фехраль. Это железо-хромо-алюминиевый сплав с незначительным включением никеля (примерно 0,6%). Он также часто используется в нагревательных элементах, потому как имеет ряд преимуществ перед нихромом:

Низкая стоимость (в несколько раз ниже, чем у нихрома)

Высокая температура плавления (около 1500° C)

Однако у фехрали есть и недостатки:

Меньшая прочность, повышенная хрупкость

Меньший срок службы нагревателей из этого материала

Типы нагревательных элементов

Есть много разных видов нагревательных элементов. Иногда спирали из нихрома или фехрали используется как таковой; в других случаях спирали встроены в керамический материал, чтобы сделать его более прочным и долговечным (керамика отлично справляется с высокими температурами и не боится большого нагрева и охлаждения), или изолированы в миканите и помещены в металлический корпус (к примеру, кольцевые и плоские нагреватели для экструдеров).

Размер и форма нагревательного элемента в значительной степени определяется размерами прибора, внутри которого он должен помещаться, и площадью, на которой он должен производить тепло. Щипцы для завивки волос имеют короткие спиральные элементы, потому что они должны выделять тепло через тонкую трубку, вокруг которой можно обернуть волосы. Электрические радиаторы имеют длинные стержневые элементы, потому что они должны рассеивать тепло через большую площадь комнаты. Электрические плиты имеют спиральные нагревательные элементы, подходящие по размеру для нагрева кастрюль и сковородок (часто элементы плиты покрыты металлическими, стеклянными или керамическими пластинами, чтобы их было легче чистить). Нагреватели нефтепродуктов для больших емкостей или цистерн представляют собой огромные металлические трубы с керамическими нагревательными элементами, потому что они должны производить мягкий нагрев на большой площади соприкосновения с легко воспламеняемыми жидкостями.

На фото: два вида нагревательных элементов. 1) Светящиеся нихромовые ленты внутри инфракрасного кварцевого нагревателя для сушки. 2) Вы можете четко видеть спиральный электрический ТЭН внизу чайника. Он никогда не накаляется докрасна так же, как провода ик обогревателя, потому что обычно он недостаточно нагревается. Однако, если вы достаточно глупы, чтобы включить чайник без воды внутри (как я однажды случайно сделал), вы обнаружите, что элемент чайника вполне может раскалиться докрасна. Этот опасный и катастрофический эпизод навсегда повредил мой чайник и мог поджечь мою кухню.

В некоторых приборах нагревательные элементы хорошо видны: в электрическом тостере легко заметить ленты из нихрома, встроенные в стенки тостера, потому что они раскалены докрасна. Электрические радиаторы выделяют тепло с помощью светящихся красных полос (по сути, просто спиральные, проволочные нагревательные элементы, которые выделяют тепло за счет излучения), в то время как электрические конвекторные нагреватели обычно имеют концентрические круглые нагревательные элементы, расположенные перед электрическими вентиляторами (поэтому они быстрее переносят тепло за счет конвекции).

У некоторых приборов есть видимые элементы, которые работают при более низких температурах и не светятся; электрические чайники, которым никогда не нужно работать выше точки кипения воды (100 ° C), являются хорошим примером. В других приборах нагревательные элементы полностью скрыты, как правило, из соображений безопасности. Электрический душ и щипцы для завивки волос имеют скрытые элементы, поэтому (надеюсь) нет риска поражения электрическим током.

Проектирование нагревательных элементов

Все это делает нагревательные элементы очень простыми и понятными, но на самом деле существует множество различных факторов, которые инженеры-электрики должны учитывать при их проектировании. В своей превосходной книге по этому вопросу Тор Хегбом перечисляет примерно 20–30 различных факторов, которые влияют на работу типичного нагревательного элемента, включая такие очевидные вещи, как напряжение и ток, длина и диаметр элемента, тип материала и рабочая температура. Есть также определенные факторы, которые необходимо учитывать для каждого типа элемента. Например, для витого элемента из круглой проволоки диаметр проволоки и форма витков (диаметр, длина, шаг, растяжение и т. д.) являются одними из факторов, которые критически влияют на производительность. С элементом ленты толщина и ширина ленты.

И это только часть истории, потому что нагревательный элемент не работает изолированно: вы должны учитывать, как он впишется в более крупный прибор и как он будет вести себя во время использования (когда он используется или неправильно используется по-разному) . Как, например, ваш элемент будет поддерживаться внутри устройства изоляторами? Насколько большими и толстыми они должны быть, и повлияет ли это на размер производимого вами прибора? Например, подумайте о различных типах нагревательных элементов, которые вам понадобятся в паяльнике, размере ручки и большом нагревателе конвектора. Если у вас есть элемент, «задрапированный» между опорными изоляторами, что произойдет с нагревательным элементом при сильном нагреве? Не будет ли он слишком сильно провисать, и это вызовет проблемы? Вам нужно больше изоляторов, чтобы это не произошло, или вам нужно изменить материал или элемент? размеры?

Если вы разрабатываете что-то вроде электрического камина с несколькими близко расположенными нагревательными элементами, что произойдет, когда они будут использоваться по отдельности или в комбинации? Если вы разрабатываете нагревательный элемент, через который проходит воздух (например, конвекторный обогреватель или фен), сможете ли вы создать достаточный поток воздуха, чтобы остановить его перегрев и значительно увеличить срок его службы? Все эти факторы должны быть сбалансированы, чтобы сделать продукт эффективным, экономичным, долговечным и безопасным.

Нужно ли нагревательному элементу высокое или низкое сопротивление?

Вы можете подумать, что нагревательный элемент должен иметь действительно высокое сопротивление - в конце концов, именно сопротивление позволяет материалу выделять тепло. Но на самом деле это не так. Тепло генерирует ток, протекающий через элемент, а не сопротивление, которое он испытывает. Получение максимального тока, протекающего через нагревательный элемент, намного важнее, чем проталкивание этого тока через большое сопротивление. Это может показаться запутанным и нелогичным, но довольно легко понять, почему это (и должно быть) истина, как интуитивно, так и математически.

Интуитивно .

Предположим, вы сделали сопротивление вашего нагревательного элемента настолько большим, насколько это возможно - фактически бесконечно большим. Тогда закон Ома (напряжение = ток ∙ сопротивление или V = I ∙ R) говорит нам, что ток, протекающий через ваш элемент, должен быть бесконечно малым (если I = V / R, I приближается к нулю, когда R приближается к бесконечности). У вас будет колоссальное сопротивление, отсутствие тока и, следовательно, отсутствие тепла. Итак, что, если мы впадем в противоположную крайность и сделаем сопротивление бесконечно маленьким. Тогда у нас была бы другая проблема. Хотя ток I может быть огромным, R будет практически равным нулю, поэтому ток будет проходить через элемент, как скоростной поезд, даже не останавливаясь, не производя тепла вообще.

Поэтому в нагревательном элементе нам нужен баланс между двумя крайностями: сопротивление, достаточное для выработки тепла, но не такое, чтобы оно слишком сильно уменьшало ток. Нихром и фехраль - отличный выбор. Сопротивление нихромовой проволоки (примерно) в 100 раз выше, чем у проволоки того же диаметра, сделанной из меди (отличный проводник), но только на четверть меньше, чем у графитового стержня аналогичного размера (довольно хороший изолятор) и может быть, только в миллионную триллионную часть меньше действительно хорошего изолятора, такого как стекло. Цифры говорят сами за себя: нихром - это средний проводник с умеренным сопротивлением, и никак не изолятор!

Математически.

Мы можем прийти к точно такому же выводу с помощью математики. Мощность, производимая или потребляемая потоком электричества, равна напряжению, умноженному на ток (ватты = вольт∙ ампер или P = V ∙ I). Мы также знаем из закона Ома, что V = IR. Исключите V из этих уравнений, и мы обнаружим, что мощность, рассеиваемая в нашем элементе, равна I 2 R. Другими словами, тепло пропорционально сопротивлению, но также пропорционально квадрату тока. Таким образом, ток оказывает гораздо большее влияние на выделяемое тепло, чем сопротивление. Удвойте сопротивление, и вы удвоите мощность (отлично!), Но удвоите ток, и вы увеличите мощность в четыре раза (фантастически!). Так что ток - вот что действительно важно.

Несложно подсчитать, что сопротивление нити накаливания типичной лампы накаливания составляет несколько сотен Ом.

Нагреватели сопротивления?

Мы часто называем электрический нагрев - то, что делают нагревательные элементы - «джоулевым нагревом» или «резистивным нагревом», как будто сопротивление является единственным фактором, который имеет значение. Но на самом деле, как я объяснил выше, существует множество взаимосвязанных факторов, которые следует учитывать при разработке нагревательного элемента, который эффективно работает в конкретном приборе. Сопротивление не всегда является тем, что вы контролируете и определяете: оно часто определяется для вас вашим выбором материала, размерами нагревательного элемента и т. д.

Читайте также: