Расчет свободно излучающих металлических нагревателей: Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам "Оборудование термических цехов", "Технологическое оборудование, механизация и автоматизация в производстве, обработке и переработке новых материалов" и "Конструирование механизмов и приборов", к курсовому и дипломному проектированию, страница 2

Установленная мощность печи (зоны) — N_S, кВт; напряжение — U, В; удельное  электросопротивление  материала нагревателя — r_t , мкОм×м (находится по прил. 1); F_м  и F_н — соответственно активная тепловоспринимающая поверхность садки  металла и теплоизлучающая поверхность стенок рабочей камеры печи (зоны), на которых размещены нагреватели — м²; e_м и e_н — соответственно степень черноты нагреваемого металла и самих нагревателей (e_н практически всегда равна 0,8, e_м  при нагреве в воздушной  и другой окислительной атмосфере принимается также 0,8, а  в защитной — выбирается по справочнику);  t_м  и t_н  —  соответственно конечная температура металла и нагревателей, ^оС, последняя рассчитывается по формуле (1); n — число нагревателей в печи (зоне), обычно принимают его кратным 3, тогда N₁ = N_S/n, кВт — мощность одного нагревателя.

Требуется определить: допустимую действительную удельную поверхностную нагрузку нагревателя — w_д, Вт/см²;  сечение нагревателя (диаметр

проволоки d , мм или сечение ленты a×b, мм² , для ленты обычно принимают m= b/a=10); длину материала нагревателя l, м, а также  длину нагревателя в свернутом виде L, м.

Нагреватели чаще всего располагаются на боковых продольных стенках, своде и на поду, реже (только в садочных печах)— на задней стенке и даже на заслонке, и поэтому в расчетах используют фактические размеры всей камеры печи или ее зоны: L_р, H_р,  B_р.

Срок службы нагревателя, зависящий от условий окисления его поверхности,  определяет  допустимая удельная  поверхностная нагрузка — мощность, выделяющаяся с единицы поверхности нагревателя. Для ее нахождения  вводится   понятие   “идеального”   нагревателя, под которым подразумевают нагреватель, образующий с нагреваемым изделием две сплошные параллельные плоскости при условии, что все выделяемое нагревателем тепло поглощается металлом, а тепловые потери этой системы равны нулю.

В  реальном  случае  поверхность  теплоотдачи  нагревателя, равная его произведению периметра на его развернутую длину, т.е. длину проволоки или ленты, из которой он изготовлен, будет отличаться от теплоизлучающей поверхности стенок печи, на которых размещены нагреватели.

При  определении  удельной   поверхностной   мощности   под температурой нагревателя подразумевают его максимальную рабочую температуру, определяющую срок  службы  нагревателя  из  условий окисления:  в  печах  периодического  действия — максимальную температуру нагревателя в период выдержки, в печах  непрерывного действия — температуру в конце каждой зоны.

В идеальном случае допустимая удельная поверхностная нагрузка находится по

, Вт/см²,                           (2)

где С_пр  рассчитывается  по формуле

 , Вт/(м²·К⁴),                                            (3)

гдеe_н  и e_м —  степени  черноты нагревателя и нагреваемого металла;

F_н  —  поверхность  стенок  печи,   на   которых   размещены нагреватели.

Для  e_н = e_м = 0,8 и F_м / F_н ³ 0,8 принимают C_пр = 3,9 Вт/(м²·К⁴).

Связь реально допустимой удельной поверхностной мощности w_д с идеальной w_ИД  выражается зависимостью:

 w_Д = w_ИД· a_эф ·a_г ·a_с ·a_р = w_ИД · a_S ,                                             (4)

где  a_эф , a_г , a_с, a_р — поправочные коэффициенты.

  a_эф — коэффициент эффективности излучения, который экспериментально определен для нагревателей различной конструкции при минимальном допустимом относительном межвитковом расстоянии. Относительным межвитковым  расстоянием  называют  отношение расстояния между осями ветвей eк диаметру проволоки d для проволочного зигзага (п.з.) — e/d, e к ширине b ленты для ленточного зигзага (л.з.) — e/b или шага t между витками проволочной спирали (п.с.) к диаметру проволоки d — t/d. Значенияa_эф приведены в таб. 1.

Таблица 1

 Значения коэффициентов эффективности a_эф